本發(fā)明屬于煤礦井下采掘設(shè)備截割機(jī)構(gòu)研究的技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種可調(diào)角度的滾刀靜壓破巖試驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

現(xiàn)在煤礦巷道掘進(jìn)使用的主要設(shè)備為懸臂式掘進(jìn)機(jī)，截割機(jī)構(gòu)一般為縱軸或橫軸式，多用鎬形截齒。鎬形截齒的工作原理類似鎬尖楔入巖體，需要克服煤巖的抗壓強(qiáng)度，所需能量較大，磨損較重。隨著掘進(jìn)工作面硬巖比例逐漸增多，煤巖抗壓強(qiáng)度相比以前有很大的提高，造成該類掘進(jìn)機(jī)破巖效率相對降低，鎬形截齒消耗量逐步增加，經(jīng)濟(jì)性降低。而目前主要應(yīng)用于鐵路和水利隧道施工的全斷面掘進(jìn)機(jī)多采用盤型滾刀，其利用刀片的擠壓和劈裂原理完成破巖，主要克服煤巖的抗壓和抗拉強(qiáng)度，對于硬巖破碎效率高且刀具磨損量相對較小，但由于全斷面掘進(jìn)機(jī)造價(jià)高，體積大，目前較少在煤礦井下使用。因此開發(fā)一種基于盤型滾刀的懸臂式掘進(jìn)機(jī)的新型掘進(jìn)設(shè)備，對煤礦開拓效率和經(jīng)濟(jì)性的提高具有重要的價(jià)值。本發(fā)明一種可調(diào)角度的滾刀靜壓破巖試驗(yàn)裝置，通過研究不同類型盤型滾刀在不同角度破碎巖石效果的受力情況和效率，達(dá)到選取合適的空間位置參數(shù)并進(jìn)行新型掘進(jìn)設(shè)備截割機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。

目前美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院、中南大學(xué)、上海交通大學(xué)、東北大學(xué)、中鐵隧道、煤礦深井建設(shè)國家工程試驗(yàn)室等都建有盤型滾刀直線或回轉(zhuǎn)沖擊滾壓破碎驗(yàn)臺，其主要特點(diǎn)是可以對一把或多把刀具在行進(jìn)過程中對巖石滾壓破碎的效果進(jìn)行試驗(yàn)，但是刀具和巖石間的相對角度多為固定或者需要更換不同類型的刀具托盤，試驗(yàn)工作量和花費(fèi)較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要是為了解決方便經(jīng)濟(jì)地調(diào)節(jié)刀具與試塊之間的相對角度，實(shí)現(xiàn)靜壓作用下不同刀具在不同截割角度等條件下破碎巖石的性能分析研究，得出盤型滾刀滾切破碎巖石時(shí)刀具所受三個(gè)方向的力和磨損情況，從而得到合適的刀具空間安裝信息，并對刀具的破巖效率和磨損情況進(jìn)行優(yōu)化，提高采掘設(shè)備截割機(jī)構(gòu)的整體性能，提供一種可調(diào)角度的滾刀靜壓破巖試驗(yàn)裝置。

本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種可調(diào)角度的滾刀靜壓破巖試驗(yàn)裝置，包括試驗(yàn)機(jī)框架、刀盤與傳感器安裝機(jī)構(gòu)和可調(diào)角度試塊安裝機(jī)構(gòu)，試驗(yàn)機(jī)框架包括立柱，立柱上設(shè)有以立柱為導(dǎo)向并可以上下升降的橫梁，橫梁下方設(shè)有固定在立柱上的固定橫梁，固定橫梁上連有一塊為可調(diào)角度試塊安裝機(jī)構(gòu)提供可靠安裝支撐的圓形托板，刀盤與傳感器安裝機(jī)構(gòu)安裝在橫梁上，可調(diào)角度試塊安裝機(jī)構(gòu)固定在固定橫梁上。

進(jìn)一步的，刀盤與傳感器安裝機(jī)構(gòu)包括上固定塊、刀架主體、三向力傳感器、刀具連接塊和盤型滾刀刀具，上固定塊設(shè)置在試驗(yàn)機(jī)框架主體的橫梁頂部，刀架主體上設(shè)有缺口，刀架主體的缺口部分插入試驗(yàn)機(jī)框架主體橫梁的中間部位，上固定塊和刀架主體連接，刀架主體底部連接有三向力傳感器，三向力傳感器下部設(shè)有刀具連接塊，刀具連接塊底部安裝有盤型滾刀刀具。

進(jìn)一步的，可調(diào)角度試塊安裝機(jī)構(gòu)包括帶角度指示的鉸接軸、支撐彎臂、試塊安裝機(jī)構(gòu)底板以及試塊安裝部分，試塊安裝機(jī)構(gòu)底板安裝在試驗(yàn)機(jī)框架主體底部橫梁的圓形托板中間位置，試塊安裝部分通過帶有數(shù)字刻度的鉸接軸與試塊安裝機(jī)構(gòu)底板連接在一起，支撐彎臂兩端分別安裝在試塊安裝部分和試塊安裝機(jī)構(gòu)底板上，試塊安裝部分底部設(shè)有試塊支撐裝置。

進(jìn)一步的，試塊安裝部分包括試塊側(cè)板、巖石試塊、試塊底板和試塊固定桿，巖石試塊由試塊固定桿固定在試塊底板，巖石試塊一側(cè)設(shè)有與支撐彎臂連接的試塊側(cè)板，試塊底板和試塊安裝機(jī)構(gòu)底板上設(shè)有可放置試塊支撐裝置的插槽。

試塊支撐裝置包括0°～10°支撐塊、10°～28°支撐塊、30°～45°支撐塊以及10°～28°支撐塊調(diào)整螺釘，0°～10°支撐塊共分10塊，每隔1°為一塊；30°～45°支撐塊共15塊，每隔1°為一塊；10°～28°支撐塊通過兩顆10°～28°支撐塊調(diào)整螺釘調(diào)節(jié)所需角度。

試塊安裝機(jī)構(gòu)底板的前后分別插接有試塊安裝機(jī)構(gòu)底板延長板和固定延長板，并由延長板安裝螺釘固定。

刀盤與傳感器安裝機(jī)構(gòu)起到連接刀具和試驗(yàn)機(jī)并測試破碎試塊過程中三向力的作用，主要由上固定塊、刀架主體、三向力傳感器、刀具連接塊和刀具等構(gòu)成，各部分之間通過螺栓連接，可以方便更換不同類型的半圓形試驗(yàn)刀具?？烧{(diào)角度試塊安裝機(jī)構(gòu)底座安裝在試驗(yàn)機(jī)框架主體上，主要目的是安裝截割試塊并能與刀具形成不同的截割角度，通過調(diào)節(jié)該機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)試塊在0°～45°范圍內(nèi)空間角度的調(diào)整。

試驗(yàn)臺帶有測控系統(tǒng)，采用液壓電控伺服機(jī)構(gòu)和工控機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡，并配有壓力、流量、速度等檢測組件。通過控制采集軟件，可以使用恒速度加載或恒力加載模式控制試驗(yàn)過程加載速度。試驗(yàn)過程實(shí)時(shí)記錄截割三向力、速度、功率等參數(shù)，同時(shí)采用高速攝像機(jī)記錄試塊破碎的全過程。

本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單、試驗(yàn)參數(shù)調(diào)整方便靈活，可以快速有效地進(jìn)行不同類型盤型滾刀在不同空間角度下對巖石破碎過程的試驗(yàn)研究，得到特定條件下盤型滾刀的三向力結(jié)果并觀察到巖石的破碎慢動作過程，為巖石破碎機(jī)理和截割機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)依據(jù)。

附圖說明

圖1為一種可調(diào)角度的滾刀靜壓破巖試驗(yàn)裝置主體機(jī)構(gòu)；

圖2為刀盤與傳感器安裝機(jī)構(gòu)構(gòu)成圖，

圖3為可調(diào)角度試塊安裝機(jī)構(gòu)0°～10°調(diào)整原理圖；

圖4為可調(diào)角度試塊安裝機(jī)構(gòu)10°～28°調(diào)整原理圖；

圖5為可調(diào)角度試塊安裝機(jī)構(gòu)30°～45°調(diào)整原理圖；

1-試驗(yàn)機(jī)框架，2-刀盤與傳感器安裝機(jī)構(gòu)，3-可調(diào)角度試塊安裝機(jī)構(gòu)，201-上固定塊，202-上連接塊固定螺釘，203-刀架主體，204-三向力傳感器連接螺栓，205-三向力傳感器，206-刀具連接塊，207-刀具固定螺釘，208-傳感器與刀具連接塊固定螺釘，209-不同形狀盤型滾刀刀具，301-試塊側(cè)板，302-帶角度指示的鉸接軸，303-支撐彎臂，304-巖石試塊，305-試塊底板，306-試塊固定桿，307- 0°～10°支撐塊，308-試塊安裝機(jī)構(gòu)底板，309-試塊安裝機(jī)構(gòu)底板延長板，310-延長板安裝螺釘，311-10°～28°支撐塊，312-10°～28°支撐塊調(diào)整螺釘，313-固定延長板，314-30°～45°支撐塊。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要由試驗(yàn)機(jī)框架主體1、刀盤與傳感器安裝機(jī)構(gòu)2以及可調(diào)角度試塊安裝機(jī)構(gòu)3構(gòu)成。其中試驗(yàn)機(jī)框架主體1作為設(shè)備的基礎(chǔ)，為其他兩部分提供安裝位置。刀盤與傳感器安裝機(jī)構(gòu)2安裝在試驗(yàn)機(jī)框架主體1以立柱為導(dǎo)向并可以上下升降的橫梁上，在液壓油缸的驅(qū)動下，可以在控制系統(tǒng)的設(shè)置下按照恒力或者恒速度加載的方式提供運(yùn)動方式。可調(diào)角度試塊安裝機(jī)構(gòu)3通過螺釘固定在試驗(yàn)機(jī)框架主體1底部固定橫梁上，其上連有一塊大直徑圓板，為可調(diào)角度試塊安裝機(jī)構(gòu)3提供可靠的安裝支撐。

刀盤與傳感器安裝機(jī)構(gòu)2具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由上固定塊201、上連接塊固定螺釘202、刀架主體203、三向力傳感器連接螺栓204、三向力傳感器205、刀具連接塊206、刀具固定螺釘207、傳感器與刀具連接塊固定螺釘208和不同形狀盤型滾刀刀具209構(gòu)成。安裝方式見圖1，上固定塊201位于試驗(yàn)機(jī)框架主體1可動橫梁頂部，刀架主體203的缺口部分插入試驗(yàn)機(jī)框架主體1可動橫梁中間部位，上固定塊201和刀架主體203通過上連接塊固定螺釘202擰緊連接。安裝時(shí)要保證二者位于試驗(yàn)機(jī)框架主體1可動橫梁的中心位置。刀架主體203底部用三向力傳感器連接螺栓204連接三向力傳感器205，三向力傳感器205下部用刀具固定螺釘207連接刀具連接塊206，其中在安裝7連接刀具連接塊206前，首先選好當(dāng)次試驗(yàn)所用盤型滾刀刀具209并使用刀具連接塊固定螺釘208固定好，然后連同刀具連接塊206一同安裝到三向力傳感器205下部。

可調(diào)角度試塊安裝機(jī)構(gòu)3共有三種使用模式，分別實(shí)現(xiàn)0°～10°（圖3）、10°～28°（圖4）、30°～45°（圖5）范圍內(nèi)的空間角度調(diào)整?？烧{(diào)角度試塊安裝機(jī)構(gòu)3基本結(jié)構(gòu)由帶角度指示的鉸接軸302、支撐彎臂303、試塊安裝機(jī)構(gòu)底板308以及試塊安裝部分（主要包括試塊側(cè)板301、巖石試塊304、試塊底板305和試塊固定桿306）。試塊安裝機(jī)構(gòu)底板308通過螺釘與試驗(yàn)機(jī)框架主體1底部橫梁圓形托板固定在中間位置。試塊安裝部分作為一個(gè)整體通過帶有數(shù)字刻度的鉸接軸302與試塊安裝機(jī)構(gòu)底板308連接在一起。支撐彎臂303兩端通過螺紋分別安裝在試塊側(cè)板301和試塊安裝機(jī)構(gòu)底板308上，并通過自身的調(diào)節(jié)螺紋使試塊底板305和試塊安裝機(jī)構(gòu)底板308達(dá)到實(shí)驗(yàn)需要的角度。

0°～10°支撐塊307部分共10塊，每隔1°一塊。30°～45°支撐塊314共15塊，也是每隔1°一塊。二者按照設(shè)計(jì)尺寸加工成不同高度的支撐塊，并在上面標(biāo)有相應(yīng)的數(shù)字刻度。在0°～10°和30°～45°每隔1°的調(diào)整時(shí)，只要把相應(yīng)的支撐塊插入到試塊底板305和試塊安裝機(jī)構(gòu)底板308對于的插槽上即可。10°～28°調(diào)整時(shí)選用的是圓形10°～28°支撐塊311，將其放入到試塊底板305和試塊安裝機(jī)構(gòu)底板308之間，通過兩顆10°～28°支撐塊調(diào)整螺釘312調(diào)節(jié)所需角度，并使該圓形支撐塊311固定在確定的位置。

由于角度變化，試塊不可能正好位于刀具滾切位置的正下方，需要前后移動可調(diào)角度試塊安裝機(jī)構(gòu)，會出現(xiàn)固定螺栓不能與試驗(yàn)機(jī)框架主體1底部橫梁圓形托板連接的問題。為解決該問題，在試塊安裝機(jī)構(gòu)底板308的前后都可以插接試塊安裝機(jī)構(gòu)底板延長板309和固定延長板313，并使用延長板安裝螺釘310固定。三種模式調(diào)節(jié)時(shí)，角度以鉸接軸302上自帶的數(shù)字指針指示為準(zhǔn)。

本發(fā)明設(shè)備具體使用方法如下：按照上述實(shí)施方案在刀盤與傳感器安裝機(jī)構(gòu)2上安裝當(dāng)次試驗(yàn)的刀具，在可調(diào)角度試塊安裝機(jī)構(gòu)3上安裝試驗(yàn)需要的試塊并將試塊角度調(diào)整到試驗(yàn)設(shè)定的角度。然后通過前后調(diào)整可調(diào)角度試塊安裝機(jī)構(gòu)3并操作控制系統(tǒng)使刀具輕壓在巖石試塊待壓碎的位置。

準(zhǔn)備工作完成后，按照設(shè)計(jì)參數(shù)和方案進(jìn)行正式試驗(yàn)，以確定的力或者速度加載，使刀具完成一次靜壓破碎。一次壓潰后，起刀，向前推移可調(diào)角度試塊安裝機(jī)構(gòu)3，移動距離為試驗(yàn)設(shè)計(jì)的刀間距，此為一次有效的試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中測試系統(tǒng)自動記錄刀具三向力、系統(tǒng)功率、加載狀態(tài)等參數(shù)，高速攝像機(jī)記錄了巖石試塊破碎的全過程。試驗(yàn)參數(shù)改變后，按照參數(shù)重新調(diào)整設(shè)備，重復(fù)前述過程。