本技術(shù)涉及隧道修建及地下空間工程建設(shè)，特別是一種基于線性破巖的tbm滾刀性能試驗(yàn)檢測(cè)裝置。

背景技術(shù)：

1、隨著科技的不斷進(jìn)步與社會(huì)的高速發(fā)展，隧道工程已廣泛的出現(xiàn)在城市地鐵、市政公路、水利隧洞、綜合管廊、鐵路隧道等，跨江越海、穿山越嶺的隧道已成為我們生活中不可或缺的一部分。盾構(gòu)tbm因其安全高效的技術(shù)特點(diǎn)，已成為修建隧道工程的重要裝備。由于我國(guó)幅員遼闊，地質(zhì)條件極其復(fù)雜，長(zhǎng)距離大埋深地層、高地應(yīng)力高圍壓地層、極硬巖地層、軟硬不均地層、軟巖破碎帶地層等，都為盾構(gòu)tbm的施工帶來了極大地挑戰(zhàn)。滾刀是盾構(gòu)tbm的重要部件之一，肩負(fù)著破碎前方巖層的重要任務(wù)，又因其價(jià)格昂貴、消耗量大，一直備受矚目。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)遇到復(fù)雜地質(zhì)、高磨蝕地層時(shí)，滾刀損壞及磨損加劇，導(dǎo)致維護(hù)和更換滾刀所消耗的費(fèi)用接近工程施工成本的三分之一，同時(shí)消耗了大量的時(shí)間精力用于更換和維護(hù)滾刀。因此盾構(gòu)tbm滾刀性能以及其破巖能力一直受到行業(yè)關(guān)注。滾刀磨損主要分為正常磨損和異常磨損，正常磨損是指滾刀刀圈各處磨損程度基本一致，當(dāng)?shù)度δp程度達(dá)到限定值時(shí)，即可進(jìn)行更換；異常磨損主要包含刀圈崩刃斷裂、刀圈偏磨、軸承磨損等情況，因此選擇合適性能的滾刀可以延長(zhǎng)刀具使用壽命，大大降低施工成本。

2、為研究盾構(gòu)tbm滾刀性能，需開展相應(yīng)滾刀破巖試驗(yàn)，研究滾刀破巖機(jī)理，探究巖石圍壓和溫度等環(huán)境因素對(duì)滾刀破巖的影響，挑選合適的滾刀結(jié)構(gòu)、性能、掘進(jìn)參數(shù)，以提高隧道施工的安全和效率，降低隧道施工成本。為此研發(fā)了多種試驗(yàn)裝置用于研究滾刀破巖機(jī)理，主要分為全尺寸滾刀破巖裝置以及縮尺寸滾刀破巖裝置。全尺寸滾刀破巖裝置采用全尺寸刀盤刀具開展試驗(yàn)，檢測(cè)數(shù)據(jù)更加真實(shí)有效，其試驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測(cè)能力更加突出。但全尺寸滾刀破巖裝置存在一定缺點(diǎn)，如設(shè)備昂貴、巖石加工困難、試驗(yàn)周期過長(zhǎng)、成本過高、滾刀磨損程度不明顯等?？s尺寸滾刀破巖裝置通過對(duì)滾刀進(jìn)行同比例縮小，開展?jié)L刀破巖試驗(yàn)，巖石破損機(jī)制和實(shí)際工程基本相同，仍然可以根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果指導(dǎo)實(shí)際的施工。國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)已研發(fā)出部分縮尺寸滾刀破巖裝置，如縮尺線性切割設(shè)備(sslcm)、便攜式直線破巖裝置(plcm)、中南大學(xué)tbm滾刀回轉(zhuǎn)滾壓破巖試驗(yàn)臺(tái)、盾構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室滾刀復(fù)合磨蝕實(shí)驗(yàn)臺(tái)、中南大學(xué)tbm線切割試驗(yàn)臺(tái)等，試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，巖樣小巧，試驗(yàn)簡(jiǎn)便，滾刀磨損明顯，試驗(yàn)效果良好。但仍存在一定問題：大多數(shù)試驗(yàn)裝置無法調(diào)節(jié)刀間距、無法自動(dòng)測(cè)量切槽距離；破巖試驗(yàn)無法監(jiān)測(cè)滾刀的受力載荷、溫度變化、磨損程度等參數(shù)；部分裝置滾刀為主動(dòng)式運(yùn)動(dòng)，與實(shí)際工程不相符合；滾刀材質(zhì)與實(shí)際工程不符；無法對(duì)巖樣施加圍壓；巖樣制作單一，不能反映真實(shí)的地質(zhì)工況等，因此需要進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)，提高縮尺寸滾刀破巖裝置的綜合性能，進(jìn)一步為實(shí)際工程服務(wù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型具體采用以下技術(shù)方案。

2、設(shè)計(jì)一種基于線性破巖的tbm滾刀性能試驗(yàn)檢測(cè)裝置，包括底座，在所述底座上設(shè)有框架，在所述框架內(nèi)分別設(shè)有相對(duì)設(shè)置的破巖機(jī)構(gòu)和巖箱機(jī)構(gòu)，所述破巖機(jī)構(gòu)包括破巖滾刀組件、分別設(shè)在框架內(nèi)上、下端面的兩條刀座水平導(dǎo)軌、以及固定在框架一側(cè)外壁的液壓油缸，所述破巖滾刀組件在液壓油缸的推動(dòng)下沿刀座水平導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，所述破巖滾刀組件包括刀具支座、設(shè)在刀具支座上的刀座、設(shè)在刀座上的滾刀本體、安裝在刀具支座兩端的滑座，所述滑座與刀座水平導(dǎo)軌滑動(dòng)配合；在所述刀具支座和液壓油缸之間固定有載荷傳感器，在所述刀具支座和刀座之間固定有三向力傳感器；

3、所述巖箱機(jī)構(gòu)包括滑動(dòng)設(shè)在框架一側(cè)內(nèi)壁上的巖箱豎直導(dǎo)軌、滑動(dòng)設(shè)在巖箱豎直導(dǎo)軌上的墊板滑座、固定在墊板滑座上的巖箱支座墊板、設(shè)在巖箱支座墊板上的巖箱水平導(dǎo)軌、滑動(dòng)設(shè)在巖箱水平導(dǎo)軌上的巖箱滑座、與巖箱滑座固定連接的巖箱本體；所述巖箱豎直導(dǎo)軌為兩個(gè)，在所述框架的一側(cè)內(nèi)壁上位于兩個(gè)巖箱豎直導(dǎo)軌之間設(shè)有絲杠螺母結(jié)構(gòu)，在所述框架的頂部一側(cè)設(shè)有用于驅(qū)動(dòng)絲杠螺母結(jié)構(gòu)的豎直伺服電機(jī)，在所述巖箱支座墊板的一側(cè)設(shè)有水平伺服電機(jī)，所述水平伺服電機(jī)的輸出軸連接有螺紋桿，所述巖箱水平導(dǎo)軌為兩個(gè)，所述螺紋桿位于兩個(gè)巖箱水平導(dǎo)軌之間，且?guī)r箱本體螺紋連接在螺紋桿上；在所述巖箱本體上設(shè)有圍壓傳感器，在所述框架內(nèi)的底端位于兩個(gè)刀座水平導(dǎo)軌之間固定有稱重裝置，所述稱重裝置位于巖箱本體的下方，在所述稱重裝置上設(shè)有光電溫度集成傳感器。

4、優(yōu)選地，所述刀座由基座和設(shè)在基座上表面的墊板、以及固定在基座和墊板兩側(cè)面的側(cè)板組成，所述滾刀本體通過墊板和緊固螺栓固定在基座上，滾刀本體包括兩端分別轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)在基座上的刀軸、通過緊固螺母和墊片固定在刀軸上的刀圈。

5、優(yōu)選地，所述巖箱本體由外向內(nèi)依次包括巖箱框架、巖箱活動(dòng)墊板、巖樣，所述巖箱活動(dòng)墊板為四塊分別位于巖樣的四周，其外圍由巖箱框架圍設(shè)固定，所述圍壓傳感器設(shè)在巖箱框架上并與巖箱活動(dòng)墊板相接觸。

6、優(yōu)選地，所述框架由四個(gè)鋼板圍成，且框架通過螺栓固定連接在底座上，且在框架的前后側(cè)設(shè)有活動(dòng)面板。

7、優(yōu)選地，還包括上位機(jī)、設(shè)在底座上的控制柜、設(shè)在框架頂部的水平位移控制器和圍壓控制器、設(shè)在豎直伺服電機(jī)后側(cè)的豎直位移控制器、與液壓油缸通過液壓回路相連的油泵，上位機(jī)通過通訊電纜與控制柜相連。

8、優(yōu)選地，在所述刀軸的兩端分別裝配有軸套，在每個(gè)軸套的外側(cè)分別裝配有軸承。

9、優(yōu)選地，所述油泵通過管路連接有水泵。

10、本實(shí)用新型的有益效果在于：

11、1.本實(shí)用新型通過控制各部分結(jié)構(gòu)、設(shè)置參數(shù)、調(diào)整巖樣、改變滾刀性能、設(shè)置不同試驗(yàn)條件，模擬真實(shí)滾刀破巖過程，研究滾刀破巖機(jī)理，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作便利，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)豐富，包含滾刀載荷、溫度、磨損等多種性能參數(shù)，實(shí)現(xiàn)量化評(píng)價(jià)不同滾刀的性能差異，為廠家制造優(yōu)化滾刀性能提供參考，為隧道項(xiàng)目滾刀的選擇和施工參數(shù)的選取提供關(guān)鍵性指導(dǎo)。

12、2.本實(shí)用新型的框架前后設(shè)置有活動(dòng)面板，能夠?qū)τ行┕r開展?jié)L刀破巖試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的灰塵和噪音進(jìn)行有效的隔絕，保證了試驗(yàn)環(huán)境的干凈整潔以及試驗(yàn)安全。

13、3.本實(shí)用新型的破巖滾刀組件水平移動(dòng)，巖樣豎直移動(dòng)，將豎直移動(dòng)和水平移動(dòng)分散到兩個(gè)結(jié)構(gòu)上，有利于探究單獨(dú)運(yùn)動(dòng)的效果，更好的研究滾刀破巖機(jī)理。巖樣豎直狀態(tài)放置、滾刀水平掘進(jìn)破巖，不同于大多數(shù)的豎直破巖裝置，更加符合真實(shí)破巖狀態(tài)。豎直伺服電機(jī)、豎直位移控制器，實(shí)現(xiàn)了巖箱的豎直運(yùn)動(dòng)；水平伺服電機(jī)、水平位移控制器，實(shí)現(xiàn)了巖箱的水平運(yùn)動(dòng)，大大的提高了巖樣的受力面積，提高了巖樣的利用率，節(jié)約了試驗(yàn)成本，同時(shí)可以進(jìn)一步研究刀間距、臨空面對(duì)滾刀破巖的影響。

14、4.本實(shí)用新型中圍壓控制器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)巖樣的圍壓控制，并展示圍壓數(shù)值，更加符合真實(shí)工況。水泵通過水循環(huán)能夠降低油泵的溫度，有效延長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間，降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。刀座和三向力傳感器一起安裝在刀具支座上，載荷傳感器安裝在刀具支座和框架之間，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)滾刀受力，監(jiān)測(cè)刀具支座受力，研究分析試驗(yàn)裝置所受壓力，相互印證，數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)可靠。光電溫度集成傳感器能夠監(jiān)測(cè)刀圈磨損直徑和溫度，稱重裝置能夠檢測(cè)巖渣重量，通過分析滾刀直徑和重量的變化以及巖渣重量，能夠有效的評(píng)判不同滾刀的性能參數(shù)、破巖效果，為廠家制造滾刀提供重要參考，為工程掘進(jìn)參數(shù)的選取提供支撐。

15、5.本實(shí)用新型中滾刀刀軸兩端分別裝配一個(gè)軸套，每個(gè)軸套外側(cè)裝配有三個(gè)軸承，共同實(shí)現(xiàn)滾刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，多個(gè)軸承能夠有效的分擔(dān)破巖壓力，提高刀軸的承載能力，解決高載荷試驗(yàn)條件下刀軸斷裂的問題。滾刀刀圈可以基于不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù)的縮尺滾刀開展?jié)L刀破巖試驗(yàn)，模擬真實(shí)盾構(gòu)tbm滾刀破巖，結(jié)構(gòu)參數(shù)包含厚度、直徑、刃型、刃寬、刃角等，性能參數(shù)包括材料、硬度、韌性、耐磨等，實(shí)現(xiàn)不同滾刀的破巖性能檢測(cè)，為實(shí)際工程刀具的選用提供參考，節(jié)約成本。

16、6.本實(shí)用新型中巖箱采用巖箱框架、巖箱活動(dòng)墊板共同固定巖樣，保證了巖樣的豎直狀態(tài)，更加有利于破巖試驗(yàn)。

17、7.本實(shí)用新型可以基于不同種類和不同結(jié)構(gòu)的巖樣開展?jié)L刀破巖試驗(yàn)，巖樣種類根據(jù)實(shí)際工程進(jìn)行選取，單一巖樣可采用花崗巖、砂巖、玄武巖等；巖樣結(jié)構(gòu)根據(jù)實(shí)際工程設(shè)置，孤石地層、上軟下硬、熔巖裂隙等；或者采用均一性好的巖樣，評(píng)價(jià)不同性質(zhì)滾刀的破巖效果。試驗(yàn)條件和掘進(jìn)參數(shù)豐富多樣，更加符合真實(shí)情況。滾刀性能實(shí)時(shí)檢測(cè)方法試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單、步驟操作方便，通過滾刀安裝、巖樣安裝、參數(shù)選取、信號(hào)檢測(cè)、結(jié)果分析即可模擬滾刀破巖試驗(yàn)，研究滾刀破巖機(jī)理，實(shí)現(xiàn)量化評(píng)價(jià)不同滾刀的性能差異，為廠家制造優(yōu)化滾刀性能提供參考，為隧道項(xiàng)目滾刀的選擇和施工參數(shù)的選取提供關(guān)鍵性指導(dǎo)，進(jìn)一步提高滾刀加工質(zhì)量，降低施工成本。