一种滚刀实验平台用自适应滚刀装置

摘要

本发明涉及一种滚刀实验平台用自适应滚刀装置包括：月牙板、刀盘、刀轴、刹车盘、活塞卡钳、摄像头、螺旋拉杆、张紧弹簧、小刀箱、转轴、保护盖、电机、主动链轮、传动链条、从动链轮、滚刀夹紧块、传动轴，所述小刀箱右侧靠近刀盘的内壁上安装摄像头，所述摄像头下方的小刀箱上连接月牙板，所述月牙板和小刀箱的连接处设置张紧弹簧，所述月牙板上安装螺旋拉杆，所述螺旋拉杆左端穿过小刀箱的左侧，能够控制月牙板移动，通过程序对到滚刀的自动调整，解决了破岩实验中滚刀偏磨和堵转的技术问题，减少了更换滚刀的次数，增加了实验效率。

权利要求

1.一种滚刀实验平台用自适应滚刀装置，其特征在于：所述滚刀装置包括月牙板、滚刀、刀轴、刹车盘、活塞卡钳、摄像头、螺旋拉杆、张紧弹簧、小刀箱、转轴、保护盖、第一电机、主动链轮、传动链条、从动链轮、滚刀夹紧块、传动轴，所述滚刀与刀轴周向约束，所述刀轴下部安装滚刀夹紧块，所述小刀箱顶部安装刀轴，所述滚刀安装在刀轴上，所述刀轴左边安装从动链轮，与所述从动链轮连接的是传动链条，所述传动链条还与主动链轮连接，所述主动链轮安装在第一电机上，第一电机转动通过主动链轮间接将扭矩传递给刀轴带动滚刀转动，所述刀轴右端安装刹车盘，所述刹车盘同样设置保护盖，所述刹车盘一侧的保护盖内安装有活塞卡钳，所述小刀箱右侧靠近滚刀的内壁上安装摄像头，所述摄像头下方的小刀箱上连接月牙板，所述月牙板和小刀箱的连接处设置张紧弹簧，所述月牙板上安装螺旋拉杆，所述螺旋拉杆左端穿过小刀箱的左侧，所述螺旋拉杆上安装带攻螺纹的从动齿轮，所述从动齿轮与其下方的主动齿轮相连，所述主动齿轮轴向通过传动轴固定在小刀箱上，所述传动轴左端与力矩电机相连；所述转轴设置在小刀箱的中部，小刀箱可绕所述转轴转动。

2.按照权利要求1所述的一种滚刀实验平台用自适应滚刀装置，其特征在于：所述滚刀的右侧面周向设置若干径向延伸的刻度线，所述摄像头所处位置使得摄像头能够照到滚刀上的刻度线，并且照到滚刀刃部轮廓。

3.按照权利要求1所述的一种滚刀实验平台用自适应滚刀装置，其特征在于：所述刹车盘外缘设置在活塞卡钳内，所述活塞卡钳内还设置刹车片，刹车片与活塞杆连接，通过刹车片与刹车盘的贴合对滚刀进行刹车。

4.按照权利要求1所述的一种滚刀实验平台用自适应滚刀装置，其特征在于：当监测到滚刀刻度线已经磨尽时，设置提醒程序，用于提醒工人停机更换滚刀。

5.按照权利要求1所述的一种滚刀实验平台用自适应滚刀装置，其特征在于：滚刀的工作状态通过摄像头传回的视频图像显示在PC上。

6.按照权利要求1所述的一种滚刀实验平台用自适应滚刀装置，其特征在于：所述第一电机设置第一扭矩传感器，当监测到第一扭矩传感器扭矩大于15N·m时，报警刀轴处故障。

7.一种盾构滚刀实验平台，其特征在于，在所述的实验平台上安装如权利要求1所述的滚刀实验平台用自适应滚刀装置。

说明书

一种滚刀实验平台用自适应滚刀装置

技术领域

[0001] 本发明属于掘进设备领域，特别涉及一种滚刀实验平台用自适应滚刀装置。

背景技术

[0002] 随着社会经济的飞速发展，基础设施建设进程不断加快，地下空间的开发利用不断成为各个地区的发展重点。隧道掘进机因其施工速度快、成洞质量高、作业连续性好等优点逐渐成为长隧道施工优先选用的设备。其掘进原理是通过油缸将滚刀上的滚刀压在岩石表面，当施加的压力大于岩石的抗压强度时，滚刀压入岩石，岩石将会产生裂纹，当相邻两滚刀产生的裂纹贯通时，其间的岩石脱落，达到破碎岩体的效果。硬岩地层岩石具有较高的强度，此时破坏其所需要的压力降急剧增大，而当地层中石英含量较高时，岩石的研磨性较强，刀具在强挤压、高研磨的条件下工作，其损坏失效的速度将大幅度加快，因此在硬岩条件下隧道掘进的进尺速度较慢、刀具磨损较快，大大增加了施工成本。目前，硬岩地层隧道掘进施工中存在进尺速度慢、滚刀寿命短、施工成本高的问题，而广泛采用的利用滚刀在推力与扭矩的作用下滚切岩石方法的破岩效率还有较大的提升空间。

[0003] 申请人对滚刀刀具破岩机理进行了大量深入的实验研究，在硬岩实验中由于滚刀受到的压力极大，极易使得刀具产生磨损，实验经济成本增加明显，另外，在破岩实验过程中，承载多个滚刀的刀盘，旋转的同时在液压马达的驱动下向岩样工作面掘进，在掘进的过程中经常会发现刀盘内的滚刀在岩样的掘进工作面不转动，这是由于滚刀外缘和岩样掘进工作面的相对运动发生了偏磨，偏磨通常是在圆形滚刀外圆周上在某点或者某一弧形段掘进时运动时间长，其他点或者弧形段转动时间短，造成滚刀外圆周凹凸不平，从而使得滚刀在掘进接触岩样的过程中外圆周的曲率发生变化（如图4所示），导致滚刀会间歇性的停转，通常也成为失圆，情况严重时，则会造成滚刀堵转，即滚刀卡在了岩样掘进工作面上不动了。原实验方法是停机，需要重新更换滚刀。

发明内容

[0004] 为解决上述技术问题，本发明的提供了一种滚刀实验平台用机自适应滚刀装置。

[0005] 一种滚刀实验平台用自适应滚刀装置包括：月牙板、滚刀、刀轴、刹车盘、活塞卡钳、摄像头、螺旋拉杆、张紧弹簧、小刀箱、转轴、保护盖、电机、主动链轮、传动链条、从动链轮、滚刀夹紧块、传动轴，所述滚刀与刀轴周向约束，所述刀轴下部安装滚刀夹紧块，所述小刀箱顶部安装刀轴，所述滚刀安装在刀轴上，所述刀轴左边安装从动链轮，与所述从动链轮连接的是传动链条，所述传动链条还与主动链轮连接，所述主动链轮安装在电机上，电机转动通过链轮间接将扭矩传递给刀轴带动滚刀转动，所述刀轴右端安装刹车盘，所述刹车盘同样设置保护盖，所述刹车盘一侧的保护盖内安装有活塞卡钳，所述活塞卡钳用于夹紧刹车盘进而阻止滚刀转动，所述活塞卡钳右侧设置活塞杆，所述活塞杆右侧连接刹车片，所述活塞杆固定在保护盖上，当活塞卡钳工作时，所述活塞杆推动刹车片向左移动，进而夹紧刹车片，所述小刀箱右侧靠近滚刀的内壁上安装摄像头，所述摄像头下方的小刀箱上连接月牙板，所述月牙板和小刀箱的连接处设置张紧弹簧，所述月牙板上安装螺旋拉杆，所述螺旋拉杆左端穿过小刀箱的左侧，所述螺旋拉杆上安装带攻螺纹的从动齿轮，所述从动齿轮与其下方的主动齿轮相连，所述主动齿轮轴向通过传动轴固定在小刀箱上，所述传动轴左端与力矩电机相连。

[0006] 作为本发明的一种优选方案，所述滚刀的右侧面周向设置若干径向延伸的刻度线，所述摄像头所处位置为能够照到滚刀上的刻度线，并且能够照到滚刀刃部轮廓，可以通过人工观察视频图像确定刻度线最长的位置，也可以通过摄像头将视频信息传递给PC，通过OpenCV进行编写的程序将摄像头采集的视频图像进行实时处理，显示轮廓和刻度线，对图像中滚刀轮廓和刻度线的实时识别，能够实时确定刻度线平均长度、最长长度及其位置。

[0007] 作为本发明的一种优选方案，可以通过程序控制第一扭矩传感器、活塞卡钳、力矩电机、电机、摄像头工作，通过对刻度线长度及其位置的的识别，对刹车盘进行控制，对失圆的滚刀进行“磨圆”。

[0008] 本发明所述“磨圆”的具体含义为：摄像头实时识别滚刀刀盘刻度线的长度，并且程序记录刻度线长度的变化，当滚刀堵转时，电机控制滚刀偏转至刻度线相对长的地方并控制主动刹车，固定住滚刀，由此将刻度线长的滚刀部位磨钝，使得滚刀能够重新在岩面上滚动。

[0009] 在随着刀盘旋转推进滚刀实现“磨圆”过程中，让滚刀刻度线长的位置磨损，进而使得滚刀的圆度尽量恢复，增加滚刀使用寿命，延长单个滚刀的实验时间。在现有技术的滚刀实验装置中，滚刀结构简单，并不会通过结构设计干预滚刀磨损位置，使得滚刀的工作过程基本不可控，降低了滚刀的寿命，虽然最近也有人研究人员通过结合实际盾构机工作场景提出了一种TBM单滚刀更换机械手末端执行器（申请号为201810128684  .1），这研究种更换刀具的方式虽然减少了人力成本，但是换刀过程需要盾构机停机，盾构机停机一方面减少了工作效率，另一方面停机的盾构机重新启动时需要重新对刀，降低了盾构机挖隧道的方向精度，本发明改进后的滚刀装置大大延长了滚刀使用时长，减少了停机更换刀具的次数进而提高盾构机掘进性能。不但可以应用于破岩实验平台，也可以应用于工程中滚刀结构的设计中。

[0010] 作为本发明的一种优选方案，当监测到滚刀堵转时，通过控制力矩电机使得螺旋拉杆向左移动，使得月牙板向左偏转45°，此时月牙板在螺旋拉杆的控制下脱离小刀箱箱壁向右偏转，偏转使得滚刀外缘暂时脱离岩面，然后控制电机带动滚刀逆时针旋转至程序识别的刻度线最长的部位，并进行主动刹车即活塞杆推动刹车片向左移动，进而夹紧刹车片和刹车盘从而通过刹住滚刀轴固定住滚刀，此时刀盘继续向岩样工作面掘进，滚刀磨损的部位就固定在了刻度线最长的部分，刹车过程持续15-30分钟，而后松开刹车即活塞杆向右移动带动刹车片向右移动脱离刹车盘，从而让滚刀可以自由转动，半月板也旋转至滚刀正常工作时的位置，由此防止滚刀停转接触岩面的部分继续接触岩面进行滑动摩擦使磨损进一步恶化。尽管不偏转也可以实现滚刀的刹车，但是通过实验发现，在刀盘掘进工作的同时，无法准确的固定到所需要的旋转位置，因此需要偏转使得滚刀暂时脱离岩面后进行刹车固定。

[0011] 作为本发明的一种优选方案，所述电机设置第一扭矩传感器，当程序监测到第一扭矩传感器扭矩大于15N·m时，此时报警刀轴处故障。

[0012] 本发明的有益效果为：

[0013] （1）滚刀破岩实验过程中，在不停止刀盘掘进的同时，可以对滚刀的磨损位置进行自动调整。

[0014] （2）通过摄像头对滚刀的监测，观察到每个滚刀的工作状态，合理安排检查周期，避免检查过于频繁亦或是检查工作不到位。

[0015] （3）通过对滚刀固定部位的磨损，大大延长了滚刀的工作寿命，减少了滚刀更换的频率，节省大量设备成本。

附图说明

[0016] 图1为本发明的一种滚刀实验平台用自适应滚刀结构示意图（正视图）；

[0017] 图2为本发明的一种滚刀实验平台用自适应滚刀工作状态示意图；

[0018] 图3为本发明的一种滚刀实验平台用自适应滚刀在刀盘上的安装示意图。

[0019] 图4为本发明的一种滚刀实验平台用自适应滚刀摄像机画面示意图。

[0020] 图中，1、月牙板，2、滚刀，3、刀轴，4、刹车盘，5、活塞卡钳，6、摄像头，7、螺旋拉杆，8、张紧弹簧，9、小刀箱，10、转轴，11、保护盖，12、电机，13、主动链轮，14、传动链条，15、从动链轮，16、滚刀夹紧块，17、传动轴，18、刹车片，19、活塞杆。

具体实施方式

[0021] 下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

[0022] 一种滚刀实验平台用自适应滚刀控制方法，其结构包括：月牙板1、滚刀2、刀轴3、刹车盘4、活塞卡钳5、摄像头6、螺旋拉杆7、张紧弹簧8、小刀箱9、转轴10、保护盖11、电机12、主动链轮13、传动链条14、从动链轮15、滚刀夹紧块16、传动轴17，所述滚刀2与刀轴3周向约束，所述刀轴3下部安装滚刀夹紧块16，所述小刀箱9顶部安装刀轴3，所述滚刀2安装在刀轴3上，所述刀轴3左边安装从动链轮15，与所述从动链轮15连接的是传动链条14，所述传动链条14还与主动链轮13连接，所述主动链轮13安装在电机12上，电机12转动通过链轮间接将扭矩传递给刀轴3带动滚刀2转动。所述刀轴3右端安装刹车盘4，所述刹车盘同样设置保护盖11，所述刹车盘4一侧的保护盖11内安装有活塞卡钳5，所述活塞卡钳5用于夹紧刹车盘4进而阻止滚刀2转动，所述活塞卡钳5右侧设置活塞杆19，所述活塞杆右侧连接刹车片18，所述活塞杆19固定在保护盖11上，当活塞卡钳5工作时，所述活塞杆19推动刹车片18向左移动，进而夹紧刹车片4，所述小刀箱9右侧靠近滚刀的内壁上安装摄像头6，所述摄像头6下方的小刀箱9上连接月牙板1，所述月牙板1可绕小刀箱9转动，所述月牙板1和小刀箱9的连接处设置张紧弹簧8，所述张紧弹簧8使得月牙板1始终有顺时针旋转的趋势，所述月牙板1上安装螺旋拉杆7，所述螺旋拉杆7左端穿过小刀箱9的左侧，所述螺旋拉杆7上安装带攻螺纹的从动齿轮，所述从动齿轮与其下方的主动齿轮相连，所述主动齿轮轴向通过传动轴17固定在小刀箱9上，所述传动轴17左端与力矩电机（未示出）相连，力矩电机的转动间接控制螺旋拉杆7右端部左右移动，进而带动月牙板1旋转。

[0023] 优选的，所述滚刀2的右侧面周向设置若干径向延伸的刻度线，所述摄像头6所处位置为能够照到滚刀2上的刻度线，并且能够照到滚刀2刃部轮廓，可以通过人工观察视频图像记录下刻度线最长位置，也可以由摄像头6将视频信息传递给PC，通过OpenCV进行编写的程序将摄像头6采集的视频图像进行实时处理，显示轮廓和刻度线，实时计算出滚刀刻度线的平均长度和最长长度，并能记录下最长长度的位置。

[0024] 优选的，由程序控制第一扭矩传感器、活塞卡钳5、力矩电机、电机12、摄像头6工作，并对刹车盘进行控制，对失圆的滚刀进行“磨圆”。

[0025] 优选的，当监测到滚刀2刻度线已经磨损剩余5mm时，可以提醒停机更换滚刀2。

[0026] 优选的，滚刀的工作状态可以通过摄像头传回的视频图像显示在PC上。

[0027] 优选的，当程序监测到滚刀2堵转时，程序通过控制力矩电机使得螺旋拉杆7向左移动，使得月牙板1向左偏转45°，此时月牙板1已经在螺旋拉杆7的控制下脱离小刀箱9箱壁，此时滚刀2自然向右偏转，滚刀外缘脱离岩面，然后控制电机12带动滚刀2逆时针旋转至刻度线最长的部位，并进行主动刹车即活塞杆19推动刹车片18向左移动，进而夹紧刹车片18和刹车盘4从而通过刹住滚刀轴3固定住滚刀2，此时刀盘继续向岩样工作面掘进，滚刀2磨损的部位固定就在了刻度线最长的部分，刹车过程持续15-30分钟，而后松开刹车即活塞杆19向右移动带动刹车片18向右移动脱离刹车盘4，从而让滚刀2可以自由转动，月牙板1也旋转至滚刀正常工作时的位置。

[0028] 优选的，所述电机12设置第一扭矩传感器，当监测到第一扭矩传感器扭矩大于15N·m时，报警刀轴3处故障。

[0029] 优选的，将本发明所述的自适应滚刀装置安装在滚刀实验平台的刀盘上，刀盘由液压马达驱动相对于岩面旋转，当掘进时，滚刀2接触岩面，并由于刀盘的转动，滚刀2刀刃与岩面发生摩擦，使得滚刀2受到岩面的摩擦力而相对刀盘转动，此时电机12并不工作，而且活塞卡钳5处于放松状态，但是当通过监测，滚刀2出现偏磨现象时，滚刀2失圆，滚刀2的旋转受到影响，偏磨严重则滚刀2刀刃严重失圆，如图4，滚刀2与岩面的滚动摩擦会转变成为滑动摩擦，被“磨钝”的滚刀2刀刃表面将一直与岩面相接触并加重滚刀2刀刃的磨损并停止相对旋转，此时滚刀2已经“堵转”，当滚刀2发生“堵转”时，控制力矩电机使得螺旋拉杆7向左移动，使得月牙板1向左偏转45°，通常为45°，也可以根据失圆的程度进行相应的调整，此时月牙板1已经在螺旋拉杆7的控制下脱离小刀箱9箱壁，此时滚刀2自然向右偏转，滚刀外缘脱离岩面，然后控制电机12带动滚刀2逆时针旋转至刻度线最长的部位，并进行主动刹车即活塞杆19推动刹车片18向左移动，进而夹紧刹车片18和刹车盘4从而通过刹住滚刀轴3固定住滚刀2，此时刀盘继续向岩样工作面掘进，滚刀2磨损的部位固定就在了刻度线最长的部分，刹车过程持续15-30分钟，而后松开刹车即活塞杆19向右移动带动刹车片18向右移动脱离刹车盘4，从而让滚刀2可以自由转动，月牙板1也旋转至滚刀正常工作时的位置。

[0030] 最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。