TBM滚刀破岩试验台.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910083020.2 (22)申请日 2019.01.26 (71)申请人 湘潭大学 地址 411105 湖南省湘潭市雨湖区湘潭大 学 (72)发明人 张魁何仕海彭赐彩郭龙 刘金刚夏毅敏周里群 (51)Int.Cl. G01M 13/00(2019.01) G01N 3/58(2006.01) G01N 3/02(2006.01) (54)发明名称 一种TBM滚刀破岩试验台 (57)摘要 一种TBM滚刀破岩试验台， 包括基座、 岩石物 料仓总成、 刀具组件、 刀具加载装置。

2、； 岩石物料仓 总成包括物料仓驱动装置、 物料仓组件、 物料仓 支撑机架、 物料仓支撑座； 物料仓支撑座布置在 基座； 物料仓支撑机架固接在物料仓支撑座上 部； 物料仓组件借助物料仓传动主轴与物料仓支 撑机架上的物料仓驱动装置动力相连； 岩石块侧 向夹持加载油缸为岩石块提供围压； 物料仓驱动 装置驱动岩石块绕物料仓传动主轴的中轴线回 转； 水平液压缸、 垂直液压缸控制物料仓支撑机 架的左右、 上下移动； 刀座支撑座与基座固接； 刀 具组件活动地布置在刀座支撑座上； 刀座支撑座 上的刀具加载装置为滚刀破岩提供动静耦合载 荷。 本发明可开展多种模式下的TBM滚刀破岩试 验。 权利要求书3页 说明书。

3、18页 附图18页 CN 109612717 A 2019.04.12 CN 109612717 A 1.一种TBM滚刀破岩试验台， 包括： 基座、 岩石物料仓总成、 刀具组件、 刀具加载装置， 其 特征在于： 所述岩石物料仓总成包括物料仓驱动装置、 物料仓组件、 物料仓支撑机架、 物料仓支撑 座； 所述物料仓支撑座包括工作导轨、 水平液压缸、 垂直液压缸、 导向杆、 支撑座底座、 支撑 座水平桌面； 所述工作导轨固设于所述基座上， 所述支撑座底座活动地嵌套安装在所述工 作导轨上； 所述水平液压缸的缸体和活塞杆分别与所述基座和所述支撑座底座固接； 所述 水平液压缸驱动所述支撑座底座沿所述工作导。

4、轨作往复直线运动； 所述垂直液压缸竖直地 设置于所述支撑座底座内部， 所述垂直液压缸的缸体和活塞杆分别与所述支撑座底座的底 板和所述支撑座水平桌面的下表面固接； 所述导向杆竖直地设置于所述支撑座底座内部， 所述导向杆的下部与所述支撑座底座的底板固接， 所述导向杆的上部活动地穿过所述支撑 座水平桌面， 所述垂直液压缸的驱动所述支撑座水平桌面沿着所述导向杆作垂向上下移 动； 所述物料仓支撑机架包括物料仓支撑板、 连接法兰座、 物料仓限位滚轮组件； 所述物料 仓支撑板垂直地固接于所述支撑座水平桌面上； 所述物料仓限位滚轮组包括限位滚轮座和 安装于其内且可绕自身轴线转动的限位滚轮； 所述物料仓限位滚轮。

5、组连接所述支撑外环体 与所述物料仓支撑板， 至少三组所述物料仓限位滚轮组件通过所述限位滚轮座关于所述物 料仓水平支撑座的中轴线周向等角度间隔地布置于所述物料仓水平支撑座上； 所述连接法 兰座与所述轴承座孔同轴布置， 固接于所述物料仓支撑板的另一侧； 所述物料仓组件包括支撑外环体、 支撑内环仓体、 内环仓体支撑柱、 岩石块侧向压板、 岩石块支撑底板、 岩石块侧向夹持加载油缸； 所述岩石块支撑底板同轴地固接在所述支撑 内环仓体内； 所述支撑内环仓体、 所述支撑外环体依次由内向外同轴地布置； 所述内环仓体 支撑柱呈辐射状轴向对称地布置于所述支撑内环仓体与所述支撑外环体之间， 且所述内环 仓体支撑柱的。

6、两端分别与与之对应的所述支撑内环仓体与所述支撑外环体固接； 岩石块放 置于所述支撑内环仓体的仓体内， 所述岩石块的下底面与所述岩石块支撑底板相接触； 所 述支撑外环体内部与所述岩石块四个侧面对应的位置处布置有4个所述岩石块侧向夹持加 载油缸， 其缸体与所述支撑内环仓体固接， 其活塞杆活动地穿过所述支撑内环仓体， 并将所 述岩石块侧向压板压紧于所述岩石块的四个侧面； 所述物料仓驱动装置包括轴承组件、 物料仓传动主轴、 轴承端盖、 减速传动机构、 动力 源； 所述物料仓传动主轴的一轴端开设有外花键， 该轴端插入所述支撑内环仓体中心开设 的内花键孔内； 所述物料仓传动主轴借助安装于所述物料仓支撑板的。

7、轴承座孔内的所述轴 承组件周向活动地支撑于所述物料仓支撑板上； 所述物料仓传动主轴的另一轴端从安装于 所述物料仓支撑板背面的所述轴承端盖伸出； 并依次与所述减速传动机构和所述动力源动 力连接； 所述动力源和所述减速传动机构安装于所述连接法兰座上； 所述支撑外环体的外周面与所述限位滚轮相切； 所述刀具组件包括滚刀、 滚刀可调节活动刀座、 滚刀固定刀座； 所述滚刀固接于所述滚 刀可调节活动刀座内； 所述滚刀可调节活动刀座上远离所述滚刀的一端开设有周向均布的 螺栓孔 ； 所述滚刀固定刀座的左端同样周向均布开设有与所述螺栓孔 等分布半径的相同 尺寸大小的螺栓孔， 其右端开设有凹槽； 通过绕所述螺栓孔的。

8、分布圆圆心将所述滚刀 权利要求书 1/3 页 2 CN 109612717 A 2 可调节活动刀座相对所述滚刀固定刀座转动一定的角度， 再通过螺栓穿过所述螺栓孔 和 所述螺栓孔将所述滚刀可调节活动刀座固接在所述滚刀固定刀座上， 可模拟出给定安装 倾角系列的边滚刀； 所述刀具加载装置包括刀座支撑座、 传动加载机构； 所述刀座支撑座为U形支座结构， 其底部与所述基座固接， 其U形开口内关于U形开口的中间对称面对称地布置有水平导轨； 所述滚刀固定刀座上相应开设有与所述刀座支撑座的所述水平导轨相配合的水平导 槽； 所述刀具组件呈水平布置， 其轴线位于所述U形开口的中间对称面上， 其轴线且与所述 岩石块。

9、自由面相垂直； 所述滚刀靠近所述岩石块； 所述刀具组件借助所述水平导轨活动地 嵌入所述刀座支撑座的U形开口内； 所述传动加载机构包括滚刀动静加载液压缸； 所述滚刀动静加载液压缸的缸体固接在 所述刀座支撑座上， 其活塞杆末端周向活动地嵌设于所述滚刀固定刀座上远离滚刀的一 端； 所述滚刀动静加载液压缸对所述刀具组件施加水平静载荷或动静耦合载荷。 2.根据权利要求1所述的一种TBM滚刀破岩试验台， 其特征在于： 所述刀具组件还包括 盖块； 所述滚刀固定刀座远离所述滚刀的一端开设有下圆形凹槽； 所述盖块与所述滚刀固 定刀座固接， 以将所述活塞杆的大端嵌设于所述滚刀固定刀座的圆形凹槽内， 而小端活动 地。

10、通过所述盖块的中心通孔； 所述盖块仅约束所述活塞杆相对所述滚刀固定刀座的轴向移 动。 3.根据权利要求2所述的一种TBM滚刀破岩试验台， 其特征在于： 所述盖块开设有与所 述滚刀固定刀座相同的水平导槽。 4.根据权利要求1所述的一种TBM滚刀破岩试验台， 其特征在于： 所述物料仓组件还包 括固定式岩石安装座； 所述固定式岩石安装座由四块侧钢板 和一块底钢板 焊接而成； 所 述岩石块的下部设置于所述固定式岩石安装座内； 所述固定式岩石安装座的所述侧钢板 通过紧固螺钉将所述岩石块的下部牢固地固定于所述固定式岩石安装座的座体内； 所述岩 石块的下部与所述固定式岩石安装座的座体之间的间隙用水泥可靠填充。

11、； 所述固定式岩石 安装座放置于所述支撑内环仓体的仓体内， 所述固定式岩石安装座的所述底钢板 与所述 岩石块支撑底板相接触； 所述岩石块侧向夹持加载油缸将所述岩石块侧向压板压紧于所述 固定式岩石安装座的所述侧钢板 。 5.根据权利要求1所述的一种TBM滚刀破岩试验台， 其特征在于： 所述物料仓组件还包 括单向受压式岩石安装座； 所述单向受压式岩石安装座为半包围式仓体结构， 由三块侧钢 板与一块底钢板焊接而成； 所述岩石块设置于所述单向受压式岩石安装座内， 所述岩 石块下表面放置于所述底钢板上， 所述岩石块的三个侧面依次与相对应的所述侧钢板 接触； 所述单向受压式岩石安装座放置于所述支撑内环仓体。

12、的仓体内， 且所述单向受压式 岩石安装座的所述底钢板与所述岩石块支撑底板相接触； 三个所述岩石块侧向夹持加载 油缸的活塞杆分别压紧于所述单向受压式岩石安装座的三块所述侧钢板； 余下一个所述 岩石块侧向夹持加载油缸的活塞杆通过活动式加载钢板压紧于所述岩石块的开放侧。 6.根据权利要求5所述的一种TBM滚刀破岩试验台， 其特征在于： 紧固螺钉穿过所述侧 钢板上的紧固螺纹孔将所述岩石块的非开放侧紧固于所述单向受压式岩石安装座内。 7.根据权利要求5所述的一种TBM滚刀破岩试验台， 其特征在于： 所述岩石块与所述单 向受压式岩石安装座接触区之间形成的空隙用水泥可靠填充。 权利要求书 2/3 页 3 C。

13、N 109612717 A 3 8.根据权利要求5所述的一种TBM滚刀破岩试验台， 其特征在于： 所述活动式加载钢板 具有凸形结构； 该凸形结构可活动地嵌入所述单向受压式岩石安装座的开放侧， 且所述活 动式加载钢板利用凸起面与岩石开放侧接触； 所述岩石块的开放侧相邻的所述侧钢板与 所述活动式加载钢板的外缘具有一定的间隙。 9.根据权利要求1所述的一种TBM滚刀破岩试验台， 其特征在于： 所述物料仓组件还包 括临空面受压式岩石安装座； 所述临空面受压式岩石安装座为仓座结构， 由四块长方形侧 钢板与一块底钢板焊接而成； 所述岩石块下表面放置于所述临空面受压式岩石安装座的 底钢板上， 所述岩石块四个。

14、侧面的下部表面与其相对应的所述长方形侧钢板接触， 并通 过螺钉将所述岩石块固接在所述临空面受压式岩石安装座内； 所述岩石块侧向夹持加载油 缸的活塞杆借助所述岩石块侧向压板 分别作用于所述岩石块除临空面之外的岩石侧面的 上部表面； 所述岩石块作为所述临空面的侧面上部表面为自由面。 10.根据权利要求1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8或9所述的一种TBM滚刀破岩试验台， 其特征在于： 所述物料仓组件下方水平设置有传送带， 用于运送滚刀破岩时产生的岩渣。 权利要求书 3/3 页 4 CN 109612717 A 4 一种TBM滚刀破岩试验台 技术领域 0001 本发明属于隧道工程领域， 涉。

15、及一种破岩刀具模拟破岩试验装置， 尤其涉及一种 TBM(全断面硬岩掘进机)滚刀(盘形滚刀)破岩试验台。 背景技术 0002 近年来， TBM(全断面硬岩掘进)掘进技术得到了快速发展， 被广泛地应用于水利水 电、 交通、 市政和国防等地下空间工程中。 盘形滚刀(简称滚刀)是TBM上切削破碎岩石的主 要刀具， 根据其在TBM刀盘上的安装位置和安装倾角的不同， 可分为中心滚刀(安装半径小 于1.5m， 安装倾角为0)、 边缘滚刀(安装半径大于正滚刀， 安装倾角不为0)和正滚刀(安装半 径大于1.5m， 安装倾角为0)。 上述不同类型的滚刀， 其破岩机理和切削性能也不同。 研究表 明， 正滚刀的破岩机。

16、理为刃底挤压破岩与刃侧剪切破岩相结合； 中心滚刀同样存在刃底挤 压破岩效应， 但由于其安装半径相对于正滚刀而言较小， 导致其刃侧会产生较为强烈的侧 碾效应(刀刃靠近刀盘中心的一侧会碾压岩石)； 边滚刀由于倾斜安装在刀盘上， 故破岩时 存在相对较严重的单侧剪切破岩现象， 极易导致刀圈的偏磨。 0003 此外， TBM掘进隧道沿线的岩体在未开挖状态下， 其上下、 左右、 前后方向都受周围 岩体的挤压作用(即存在围压效应)， 而TBM掌子面上待切削的岩石同样存在围压效应。 围压 效应与隧道埋深和地质构造情况有关， 会对被切削岩石的失效机制产生一定影响(如高围 压下部分岩石会存在短暂的塑性失效行为)，。

17、 继而影响了刀具破岩机理(如深部地层下的高 围压一般会降低岩石裂纹扩展能力和刀具的破岩效率)。 从能量角度来看， 当第一把滚刀侵 入岩石时， 其刃底局部岩石受到的应力一部分会传递给周边岩体， 故高围压条件下， 刃底岩 石吸收能量大于耗散能量且达到破碎的能量阈值会大大增加。 0004 另外， 动静加载方式的不同， 也会影响刀具的破岩机理和切削性能。 如给定静载荷 条件下， 额外施加的动载荷无疑会增加切削总能耗， 但促进了岩石裂纹扩展和岩石破碎块 的生成， 故会降低刀具的切削比能耗。 0005 需要补充说明的是， 区别于传统的回转滚压破岩模式， 临空面破岩模式具有不同 的破岩机理和破岩效率， 属于。

18、一种新型的TBM破岩模式。 该破岩模式下， 当第一把滚刀完成 一次回转切削后， 掌子面上的岩体会留下一条环形切槽； 该环形切槽的两个侧表面为自由 面； 任一个自由面为与其相邻的滚刀(简称相邻滚刀)后续回转切削提供了一个临空面； 所 述相邻滚刀产生的切削应力仅传递至该临空面上(掌子面上的岩体不再连续， 无法把该应 力继续传递下去)， 并在该临空面周围集中； 所述相邻滚刀与该临空面一侧的岩石最终会因 侧向裂纹与该临空面交汇而形成岩石破碎块。 换言之， TBM真实切削工况下， 待切削原岩， 除 其待切削表面为自由面外， 其与滚刀刀刃靠近的一侧存在凹形槽等临空边界， 该临空边界 也为自由面， 利用该临。

19、空面的尺寸边界效应， 可促进岩石裂纹的交汇， 形成较大的岩石破碎 块。 0006 通过文献检索分析发现， 目前国内对临空面破岩机理开展了大量的试验研究。 例 如， 天津大学的秦得昌(参考文献： 基于回转切削的TBM滚刀载荷预测及其布置方法研究)建 说明书 1/18 页 5 CN 109612717 A 5 立了滚刀回转切削破岩模型， 研究了切削临空面对滚刀载荷和岩石等效塑形应变的分布特 征的影响， 其研究表明： 滚刀距离临空面越近， 滚刀所受载荷越小， 岩石等效塑形应变呈偏 态分布， 偏向临空面； 西安交通大学的耿麒等人(参考文献： TBM的平面刀盘与两级刀盘的力 学性能对比分析)建立了基于颗。

20、粒离散元法的临空面滚刀破岩数值模型， 研究了临空面间 距和深度对于单把滚刀破岩载荷、 裂纹扩展和比能耗的影响规律， 并开展了临空面单把滚 刀破岩实验， 实验采用声发射对裂纹位置进行了定位， 测得破碎面与岩石表面夹角， 对数值 模型进行了验证， 其研究表明， 临空面深度大小超过滚刀与临空面间距的2倍时， 裂纹扩展 深度和破岩载荷几乎不变； 若要使得裂纹贯通至临空面， 滚刀与临空面间距不应超过 200mm； 临空面单把滚刀破岩最小比能耗仅为正滚刀组合破岩的0.5， 破岩效率大幅提高； 进一步研究， 临空面多滚刀组合破岩规律， 发现第一刀间距越大， 间距方向受临空面影响的 范围越大； 中南大学的郭犇。

21、等人(参加文献： Numerical simulation of rock fragmentation induced by a single TBM disc cutter close to a side free surface)建立了TBM单把盘形滚刀切入岩石引起岩石破碎的三维有限元模型， 研究了临空 面对岩石破碎模式和切割效率的影响， 其研究表明： 滚刀临界距离在20至100mm的范围内， 上、 前表面均会产生裂纹， 且可延伸至临空面， 而在刀具和自由表面之间的岩石可以完全从 岩石样本上被削去。 上述研究工作获得了临空面破岩模式下了滚刀受力载荷、 岩石等效塑 形应变的分布特征以及临空面。

22、深度对相邻滚刀刀间距等切削参数的影响规律， 为后续推广 应用TBM滚刀临空面破岩新方式奠定了理论基础。 0007 综上分析可知， TBM掘进(全断面硬岩掘进)工况下， 滚刀类型、 原岩围压效应、 加载 方式和新型破岩模式(如临空面破岩模式)， 均会一定程度地影响刀具的破岩机理。 因此， 有 必要对不同类型的滚刀在不同围压条件以及不同加载方式下的切削性能开展深入的对比 试验研究。 0008 然而， 国内外研究机构和企业(如美国的科罗拉多矿业学院以及国内的中南大学、 沈阳重型机械集团有限公司等)一般采用标准线切割试验台(Linear Cutting Machine)进 行直线式破岩试验研究， 其研。

23、究工作存在如下局限性： 0009 1、 实际掘进工况下， TBM滚刀破岩运动学特征为绕刀盘轴线作公转的同时， 还绕自 身轴线作自转以滚压破岩。 学术界一般将滚刀的前述回转式运动学特征简化成直线运动加 以研究， 同时在标准线切割试验台开展直线式模拟破岩试验加以验证。 研究表明， 仅当待研 究滚刀的安装半径较大时(如靠近边滚刀的正滚刀)， 现有标准线切割试验台能够较好地满 足工程精度要求。 当滚刀为安装半径较小的中心滚刀时， 由于前述侧碾效应的存在， 再将回 转滚压破岩运动简化为直线式破岩运动是不合适的。 换言之， 现有标准线切割试验台仅适 用于模拟具有较大安装半径的正滚刀切削工况。 0010 2。

24、、 实际掘进工况下， 掌子面为与隧道轴线方向相垂直的竖直平面， 故产生的岩渣 由铲斗铲起后在重力作用下沿着刀盘内部的溜渣槽掉落在位于刀盘后下方的传送带上， 再 被输送至隧道外渣土场， 因此破岩过程中产生的渣土基本不会聚集在刀刃周围。 然而， 现有 标准线切割试验台的滚刀一般通过刀座安装于可垂直上下活动的横梁上， 而被切削岩面只 能与水平面平行， 这使得破岩时产生的岩渣无法在重力作用下及时排出， 干扰了滚刀破岩 试验效果， 影响了试验过程中对岩样表面的观察。 此外， 由于现有标准线切割试验台上岩渣 运动规律与实际工况截然不同， 故无法通过增设其他试验工装(如高速摄像装置、 岩渣输送 说明书 2/。

25、18 页 6 CN 109612717 A 6 装置等)， 进一步研究传送带溜渣效率、 渣石运动规律、 渣石砸刀风险等新研究课题。 0011 3、 实际掘进工况下， 若采用新型的临空面破岩模式进行掘进时， 除滚刀刀刃靠近 的临空面和待切削表面为自由面外， 其他面实际均存在围压效应。 现有基于标准线切割试 验台进行的临空面破岩试验研究， 仅在形式上模拟了该破岩方式， 但因标准线切割试验台 的局限性， 临空面、 待切削表面、 其他岩石侧面均为自由面。 0012 由此可见， 现有标准线切割试验台无法开展综合考虑滚刀类型、 原岩围压效应、 加 载方式等多因素的切削试验对比研究。 为了克服现有标准线切割。

26、试验台的上述不足， 目前 存在若干TBM滚刀破岩试验装置的新技术方案。 中南大学发明了一种可调式多滚刀切削破 岩试验装置(公开号： CN 101046537A)， 可同时安装多把盘形滚刀以模拟盘形滚刀切削岩石 的状况； 该装置虽然能够较为真实地模拟滚刀的回转滚压破岩运动， 但无法进行考虑滚刀 类型、 原岩围压效应和加载方式等多因素的切削试验。 中南大学还发明了一种用于模拟滚 刀滚压破岩、 滚刀滚压冲击复合破岩和相似滚刀磨损过程的硬岩滚刀破岩特性测试装置 (公开号： CN 103969101B)； 该装置由于采用伺服液压缸以进行动静加载试验， 需要配置精 度较高且结构复杂的液压系统， 设备成本和。

27、维护成本较高； 此外， 该装置还存在只能进行直 线式破岩、 无法模拟原岩围压效应、 待切削岩体表面水平设置等局限性。 中铁隧道集团有限 责任公司发明了一种TBM破岩试验装置(公开号： CN 102359919B)， 该装置能够近似模拟刀 具真实工作情况， 但无法进行原岩围压效应、 加载方式和岩石试样回转功能等多因素的切 削试验， 也不能模拟真实工况下传送带排渣以及观察渣石运动规律。 沈阳重型机械集团有 限公司发明了一种岩石掘进机多刀多角度破岩装置(公开号： CN 102445336A)， 该装置能够 模拟岩石环状围压加载功能和可调节多把刀具滚压剪切角、 偏转角进行岩石破碎， 但无法 实现动静加。

28、载和岩石试样回转功能， 同时还存在加载时由于刀具定位不可靠而引起的加工 轨迹偏离等问题， 亦不能模拟真实工况下传送带排渣以及观察渣石运动规律。 北京工业大 学和广州市新欧机械有限公司联合发明了一种TBM滚刀旋转破岩试验平台及与之配套使用 的围压装置和回转装置(公开号： CN 103226068B、 CN 103226078B、 CN 103226077B)， 上述装 置既能开展双刀回转滚压破岩试验， 又能模拟单向(或双向)围压条件下的双刀滚压破岩试 验， 但无法同时考虑滚刀类型、 动静加载、 岩石试样回转、 围压、 临空面等多因素的滚刀破岩 试验， 亦不能模拟传送带排渣以及观察渣石运动规律。 。

29、0013 综上来看， 现有包括标准线切割试验台在内的TBM盘形滚刀破岩试验装置， 均无法 同时且较为经济可靠地满足进行不同类型滚刀(正滚刀、 中心滚刀和边滚刀)在有无围压条 件(无围压或不同围压)下以不同加载方式(静载荷或动静耦合加载)和不同运动形式(直线 式或回转式)模拟破岩试验和开展多因素对比切削试验研究的需求， 也无法同时做到待切 削岩体表面与真实掌子面平行(以模拟岩渣真实运动规律， 排除残余岩渣对试验过程的影 响)， 以及无法做到在现有试验台的基础上， 通过增设其他试验工装(如高速摄像装置、 岩渣 输送装置等)， 进一步研究传送带溜渣效率、 渣石运动规律、 渣石砸刀风险等新研究课题。 。

30、发明内容 0014 为了解决现有技术中的上述不足， 本发明提供了一种TBM滚刀破岩试验台， 包括： 基座、 岩石物料仓总成、 刀具组件、 刀具加载装置， 其特征在于： 0015 所述岩石物料仓总成包括物料仓驱动装置、 物料仓组件、 物料仓支撑机架、 物料仓 说明书 3/18 页 7 CN 109612717 A 7 支撑座， 其中： 0016 所述物料仓支撑座包括工作导轨、 水平液压缸、 垂直液压缸、 导向杆、 支撑座底座、 支撑座水平桌面； 所述工作导轨固设于所述基座上， 所述支撑座底座活动地嵌套安装在所 述工作导轨上； 所述水平液压缸的缸体和活塞杆分别与所述基座和所述支撑座底座固接； 所述。

31、水平液压缸驱动所述支撑座底座沿所述工作导轨作往复直线运动； 所述垂直液压缸竖 直地设置于所述支撑座底座内部， 所述垂直液压缸的缸体和活塞杆分别与所述支撑座底座 的底板和所述支撑座水平桌面的下表面固接； 为了更好地导向， 提高岩石物料仓总成的刚 度， 同时为了防止所述垂直液压缸的活塞杆受到弯矩作用， 所述导向杆竖直地设置于所述 支撑座底座内部， 所述导向杆的下部与所述支撑座底座的底板固接， 所述导向杆的上部活 动地穿过所述支撑座水平桌面， 所述垂直液压缸的驱动所述支撑座水平桌面沿着所述导向 杆作垂向上下移动； 0017 所述物料仓支撑机架包括物料仓支撑板、 连接法兰座、 物料仓限位滚轮组件， 其。

32、 中： 所述物料仓支撑板垂直地固接于所述支撑座水平桌面上； 所述物料仓限位滚轮组包括 限位滚轮座和安装于其内且可绕自身轴线转动的限位滚轮； 所述物料仓限位滚轮组连接所 述支撑外环体与所述物料仓支撑板， 至少三组所述物料仓限位滚轮组件通过所述限位滚轮 座关于所述物料仓水平支撑座的中轴线周向等角度间隔地布置于所述物料仓水平支撑座 上； 所述连接法兰座与所述轴承座孔同轴布置， 固接于所述物料仓支撑板的另一侧； 0018 所述物料仓组件包括支撑外环体、 支撑内环仓体、 内环仓体支撑柱、 岩石块侧向压 板、 岩石块支撑底板、 岩石块侧向夹持加载油缸， 其中： 所述岩石块支撑底板同轴地固接在 所述支撑内环。

33、仓体内； 所述支撑内环仓体、 所述支撑外环体依次由内向外同轴地布置； 所述 内环仓体支撑柱呈辐射状轴向对称地布置于所述支撑内环仓体与所述支撑外环体之间， 且 所述内环仓体支撑柱的两端分别与与之对应的所述支撑内环仓体与所述支撑外环体固接； 岩石块放置于所述支撑内环仓体的仓体内， 所述岩石块的下底面(与待切削岩石表面相对) 与所述岩石块支撑底板相接触； 所述支撑外环体内部与所述岩石块四个侧面对应的位置处 布置有4个所述岩石块侧向夹持加载油缸， 其缸体与所述支撑内环仓体固接， 其活塞杆活动 地穿过所述支撑内环仓体， 并将所述岩石块侧向压板压紧于所述岩石块的四个侧面； 0019 所述物料仓驱动装置包括。

34、轴承组件、 物料仓传动主轴、 轴承端盖、 减速传动机构、 动力源， 其中： 所述物料仓传动主轴的一轴端开设有外花键(引述为外花键轴端)； 所述外花 键轴端插入所述支撑内环仓体中心开设的内花键孔内； 所述物料仓传动主轴借助安装于所 述物料仓支撑板的轴承座孔内的所述轴承组件周向活动地支撑于所述物料仓支撑板上； 所 述物料仓传动主轴的另一轴端从安装于所述物料仓支撑板背面的所述轴承端盖伸出(引述 为伸出轴端)； 并依次与所述减速传动机构和所述动力源动力连接； 所述动力源和所述减速 传动机构安装于所述连接法兰座上； 0020 所述支撑外环体的外周面与所述限位滚轮相切； 0021 所述刀具组件包括滚刀、 。

35、滚刀可调节活动刀座、 滚刀固定刀座； 所述滚刀固接于所 述滚刀可调节活动刀座内； 所述滚刀可调节活动刀座上远离所述滚刀的一端开设有周向均 布的螺栓孔 ； 所述滚刀固定刀座的左端同样周向均布开设有与所述螺栓孔 等分布半径的 相同尺寸大小的螺栓孔， 其右端开设有凹槽； 通过绕所述螺栓孔的分布圆圆心将所述 滚刀可调节活动刀座相对所述滚刀固定刀座转动一定的角度， 再通过螺栓穿过所述螺栓孔 说明书 4/18 页 8 CN 109612717 A 8 和所述螺栓孔将所述滚刀可调节活动刀座固接在所述滚刀固定刀座上， 可模拟出给定 安装倾角系列的边滚刀； 0022 所述刀具加载装置包括刀座支撑座、 传动加载机。

36、构， 其中： 所述刀座支撑座为U形 支座结构， 其底部与所述基座固接， 其U形开口内关于U形开口的中间对称面对称地布置有 水平导轨； 0023 所述滚刀固定刀座上相应开设有与所述刀座支撑座的所述水平导轨相配合的水 平导槽； 所述刀具组件呈水平布置， 其轴线位于所述U形开口的中间对称面上， 其轴线且与 所述岩石块自由面相垂直； 所述滚刀靠近所述岩石块； 所述刀具组件借助所述水平导轨活 动地嵌入所述刀座支撑座的U形开口内； 0024 所述传动加载机构包括滚刀动静加载液压缸； 所述滚刀动静加载液压缸的缸体固 接在所述刀座支撑座上， 其活塞杆末端周向活动地嵌设于所述滚刀固定刀座上远离滚刀的 一端； 所。

37、述滚刀动静加载液压缸对所述刀具组件施加水平静载荷或动静耦合载荷。 0025 作为优选， 所述刀具组件还包括盖块； 所述滚刀固定刀座远离所述滚刀的一端开 设有下圆形凹槽； 所述盖块与所述滚刀固定刀座固接， 以将所述活塞杆的大端嵌设于所述 滚刀固定刀座的圆形凹槽内， 而小端活动地通过所述盖块的中心通孔； 所述盖块仅约束所 述活塞杆相对所述滚刀固定刀座的轴向移动； 0026 更为优选， 所述盖块开设有与所述滚刀固定刀座相同的水平导槽。 0027 作为优选， 传送带水平设置于所述物料仓组件下方， 所述传送带用来运送滚刀破 岩时产生的岩渣。 0028 作为优选， 为了实现无围压条件下滚刀破岩试验， 所述。

38、物料仓组件还包括固定式 岩石安装座； 所述固定式岩石安装座由四块侧钢板 和一块底钢板 焊接而成； 所述岩石块 的下部(即远离待切削表面的一端)设置于所述固定式岩石安装座内； 所述固定式岩石安装 座的所述侧钢板 通过紧固螺钉将所述岩石块的下部牢固地固定于所述固定式岩石安装座 的座体内； 所述岩石块的下部与所述固定式岩石安装座的座体之间的间隙用水泥可靠填 充； 所述固定式岩石安装座放置于所述支撑内环仓体的仓体内， 所述固定式岩石安装座的 所述底钢板 与所述岩石块支撑底板相接触； 所述岩石块侧向夹持加载油缸将所述岩石块 侧向压板压紧于所述固定式岩石安装座的所述侧钢板 ， 从而实现将所述岩石块可靠夹持。

39、 安装于所述支撑内环仓体仓体内， 且不向所述岩石块施加侧向围压； 0029 作为优选， 为了实现单侧围压条件下的滚刀破岩试验， 同时避免因夹持力过大而 对岩石块夹持面产生显著的围压效应， 用到了一种特殊设计的工装夹具， 即所述物料仓组 件还包括单向受压式岩石安装座； 所述单向受压式岩石安装座由三块侧钢板与一块底钢 板焊接而成， 为半包围式仓体结构； 所述岩石块设置于所述单向受压式岩石安装座内， 所 述岩石块下表面(即与待切削表面相对的表面)放置于所述底钢板上， 所述岩石块的三个 侧面依次与相对应的所述侧钢板接触； 所述单向受压式岩石安装座放置于所述支撑内环 仓体的仓体内， 且所述单向受压式岩石。

40、安装座的所述底钢板与所述岩石块支撑底板相接 触； 三个所述岩石块侧向夹持加载油缸的活塞杆分别压紧于所述单向受压式岩石安装座的 三块所述侧钢板； 余下一个所述岩石块侧向夹持加载油缸的活塞杆通过活动式加载钢板 压紧于所述岩石块的开放侧(即未与所述侧钢板接触的所述岩石块侧面)； 0030 作为优选， 与所述岩石块的非开放侧相邻的所述侧钢板上开设有紧固螺纹孔； 说明书 5/18 页 9 CN 109612717 A 9 紧固螺钉穿过所述侧钢板上的紧固螺纹孔将所述岩石块的非开放侧紧固于所述单向受 压式岩石安装座内； 0031 作为优选， 所述岩石块与所述单向受压式岩石安装座接触区之间形成的空隙用水 泥可。

41、靠填充； 0032 作为优选， 所述活动式加载钢板具有凸形结构； 该凸形结构可活动地嵌入所述单 向受压式岩石安装座的开放侧， 且所述活动式加载钢板利用凸起面与岩石开放侧接触； 为 了可靠施加单向围压， 与所述岩石块的开放侧相邻的所述侧钢板与所述活动式加载钢板 的外缘具有一定的间隙； 0033 作为优选， 为了实现临空面受压条件下滚刀的破岩试验， 所述物料仓组件还包括 临空面受压式岩石安装座； 所述临空面受压式岩石安装座由四块长方形侧钢板与一块底钢 板焊接而成， 构成一个仓座结构； 所述长方形侧钢板上开设有紧固螺纹孔 ； 所述岩石块 设置于所述临空面受压式岩石安装座内， 所述岩石块下表面(即与待。

42、切削表面相对的表面) 放置于所述临空面受压式岩石安装座的底钢板上， 所述岩石块四个侧面的下部表面与其 相对应的所述长方形侧钢板接触， 并通过穿过长方形侧钢板上的紧固螺钉 紧固于所述临 空面受压式岩石安装座内； 所述临空面受压式岩石安装座放置于所述支撑内环仓体的仓体 内， 且所述临空面受压式岩石安装座的所述底钢板与所述岩石块支撑底板接触并固接； 所述岩石块侧向夹持加载油缸的活塞杆借助所述岩石块侧向压板 分别作用于所述岩石块 除临空面之外的岩石侧面的上部表面； 所述岩石块作为所述临空面的侧面上部表面为自由 面； 0034 作为优选， 所述岩石块与所述临空面受压式岩石安装座之间形成的间隙可填充水 泥。

43、。 0035 本发明的有益之处在于： 本发明结构简单、 经济实用、 功能齐全， 与真实工况相接 近， 可实现多功能多用途的TBM刀具模拟切削实验， 包括动静耦合加载实验、 有/无围压条件 下滚刀回转限压破岩实验、 单侧/双侧围压条件下破岩试验模式、 正/边滚刀模拟破岩实验 (对比研究不同安装倾角对破岩机理的影响规律)， 此外， 本装置夹持的岩石块的被切削岩 面与真实工况下的掌子面相同(与水平面掘进方向相垂直)， 使得岩渣可在重力作用下掉落 在下方的传送带上， 模拟真实的岩渣运动情况， 同时不会产生残余岩渣干扰滚刀的破岩效 果； 最后， 可以设计实验， 模拟传送带溜渣效率与渣石运动规律， 并可观。

44、察到滚刀破岩过程 中岩石破碎特征， 为研究滚刀破岩机理和破岩效率提供依据。 附图说明 0036 图1为本发明一种TBM滚刀破岩试验台具体实施例一的立体结构示意图(部分刀具 加载装置均未画出)。 0037 图2为图1中岩石物料仓总成的主视图。 0038 图3为图2的A-A剖视图。 0039 图4为图3中物料仓传动主轴外花键段的断面图图。 0040 图5为滚刀切岩石的示意图。 0041 图6为安装倾角为零时图1中刀具组件的立体装配示意图。 0042 图7为安装倾角不为零时图1中刀具组件的立体装配示意图。 说明书 6/18 页 10 CN 109612717 A 10 0043 图8为图3中C处的局。

45、部放大图。 0044 图9为图2中支撑外环体的立体装配结构示意图。 0045 图10为本发明具体实施例一中处于无围压下破岩试验模式时岩石块借助固定式 岩石安装座放置于支撑内环仓体内的安装示意图。 0046 图11为本发明具体实施例一中处于单侧围压下破岩试验模式时岩石块借助单向 受压式岩石安装座放置于支撑内环仓体内的安装示意图。 0047 图12为本发明具体实施例一中单向受压式岩石安装座(含活动式加载钢板)的立 体示意图。 0048 图13为本发明具体实施例一中临空面破岩试验模式下岩石块借助临空面受压式 岩石安装座固设于支撑内环仓体内的装配关系示意图(按图2所示A-A剖切面全剖画出)。 0049。

46、 图14为本发明具体实施例一中临空面受压式岩石安装座的立体示意图。 0050 图15为图5中B处的局部放大图。 0051 图16为本发明具体实施例一中激振器在基座上的安装示意图。 0052 图17为本发明具体实施例二中岩石物料仓总成的主全剖示意图。 0053 图18为图17中D处的局部放大图。 0054 图19为图17中物料仓传动主轴外花键段的断面图。 0055 图20为本发明具体实施例二中岩石块侧向夹持加载油缸的液压工作原理图。 0056 图21为本发明具体实施例二中岩石块侧向夹持加载油缸的另一液压工作原理图。 具体实施方式 0057 为了更好地描述本发明的技术方案和优点， 现结合附图， 对。

47、本发明实施例中的技 术方案进行清楚完整地描述。 0058 具体实施例一。 0059 如图1至图16所示， 为本发明一种TBM滚刀破岩试验台具体实施例一的附图。 如图1 至图3所示， 一种TBM滚刀破岩试验台， 包括基座(1)、 岩石物料仓总成、 刀具组件(2)、 刀具加 载装置， 其特征在于： 0060 所述岩石物料仓总成包括物料仓驱动装置、 物料仓组件(5)、 物料仓支撑机架、 物 料仓支撑座(7)， 其中： 0061 物料仓支撑座(7)包括工作导轨(7-1)、 水平液压缸(7-2)、 垂直液压缸(7-3)、 导向 杆(7-4)、 支撑座底座(7-5)、 支撑座水平桌面(7-6)； 如图1所。

48、示， 工作导轨(7-1)水平固设于 基座(1)上， 而支撑座底座(7-5)活动地嵌套安装在工作导轨(7-1)上； 水平液压缸(7-2)的 缸体和活塞杆分别与基座(1)和支撑座底座(7-5)固接， 在水平液压缸(7-2)的驱动下， 可使 得支撑座底座(7-5)沿工作导轨(7-1)作往复直线运动； 垂直液压缸(7-3)竖直地设置于支 撑座底座(7-5)内部， 且垂直液压缸(7-3)的缸体和活塞杆分别与支撑座底座(7-5)的底板 和支撑座水平桌面(7-6)的下表面固接； 为了更好地导向， 提高岩石物料仓总成的刚度， 同 时为了防止垂直液压缸(7-3)的活塞杆受到弯矩作用， 导向杆(7-4)竖直地设置。

49、于支撑座底 座(7-5)内部， 导向杆(7-4)的下部与支撑座底座(7-5)的底板固接， 而导向杆(7-4)的上部 活动地穿过支撑座水平桌面(7-6)； 这样一来， 在垂直液压缸(7-3)的驱动下， 可使得支撑座 水平桌面(7-6)沿着导向杆(7-4)作垂向上下移动； 说明书 7/18 页 11 CN 109612717 A 11 0062 物料仓支撑机架包括物料仓支撑板(6-1)、 连接法兰座(6-2)、 物料仓限位滚轮组 件(6-3)， 其中： 如图3和图8所示， 物料仓支撑板(6-1)上开设有轴承座孔(6-1-1)； 物料仓支 撑板(6-1)垂直地固接于支撑座水平桌面(7-6)之上； 物。

50、料仓限位滚轮组件(6-3)包括限位 滚轮座(6-3-2)和安装于其内且可绕自身轴线灵活转动的限位滚轮(6-3-1)； 物料仓限位滚 轮组件(6-3)用于活动地连接支撑外环体(5-1)与物料仓支撑板(6-1)， 同时限定支撑外环 体(5-1)相对物料仓支撑板(6-1)的径向移动， 从而将支撑外环体(5-1)承受的反力向物料 仓支撑板(6-1)传递； 至少三组物料仓限位滚轮组件(6-3)通过限位滚轮座(6-3-2)关于轴 承座孔(6-1-1)中心轴周向对称地固接于物料仓支撑板(6-1)的一侧； 本例中， 如图2所示， 为了优化物料仓限位滚轮组件(6-3)的限位效果， 增加本发明装置的刚强度， 物料。