摘 要（yào） 隨著經（jīng）濟發展及科技水平的（de）提高，硬（yìng）岩掘進機（jī）、盾構機、反井鑽（zuàn）機（jī）、巷道掘（jué）進機等機械（xiè）在地下工程施工中得到（dào）了空前發展，機械破岩試驗成為地下工程施工機械不可或缺的一個試驗手段（duàn），以指導地下工程施工（gōng）機械設計和（hé）施工。文章介紹了北京工業大學自主研製的機械破岩試驗平台，該試驗平台的設計製（zhì）造綜合（hé）考慮了高地應力、刀盤旋轉和多個刀具同時破岩等工況，也考慮到不同（tóng）破岩（yán）機械不同類型刀具破岩試驗，還能在岩樣箱（xiāng）中考慮（lǜ）到不同的岩體結構，可以真（zhēn）實模擬不同機械刀具的現場施工工況。試（shì）驗平台（tái）由機械（xiè）係統、液壓係統、自動控製係統和數據采集係統（tǒng）組成。試驗平台（tái）製作完（wán）成後，進行了多個不同工況（kuàng）的驗證試驗，達到了原定的設計要求。
 
      關鍵詞 機械破岩試驗平台（tái） 高地應力 旋轉 刀具 岩體結構
 
      1 、引 言
 
      21世紀是隧道及地下空間大發展的年代[1]。隨著經濟的發展及科技水平的提高，地下空（kōng）間（jiān）的（de）開挖手段也越來越成熟和多樣，如硬岩掘（jué）進（jìn）機（TunnelBoring Machine）、盾構機(Shield Tunnelling Machine)、反（fǎn）井鑽機（Raise Boring Bachine）、巷道（dào）掘進機（RoadHeader）等機械在地下工程施工中得（dé）到了廣泛（fàn）的應用。
 
      施工機械（xiè）的成功應用主要受以下四方麵製約：地（dì）質條件、設備的選型與（yǔ）配置、機械運行參數和（hé）施工管理方案。其中地質條件是（shì）既定不變的（de），不受人（rén）為因素影響，但設備的選型與配置、機械運行參數的（de）選擇和施工管（guǎn）理係統（tǒng）的完善都是可控的。對機器進行（háng）合理地選型與設計並在施工中控製合適的運行參數（shù）是一大難題，且麵臨著許多的（de）問題（tí）[2~5]。隨著地下工程（chéng）的蓬勃發展，機械破岩試驗已成為地下工程施工機械（xiè）不可或缺的一個手段，用以指導地下工程（chéng）施（shī）工機械設計和施工。岩石線性切割試驗可以較真實地模擬TBM滾刀破岩，在（zài）過去30多年中被廣泛應用（yòng），可以通過此試驗選擇適合相應地質條件的 TBM，並（bìng）預測機器運行參數和（hé）掘進（jìn）速度，再通過實際工程中的實時反饋不斷進行施工參數（shù）優化，最後根據TBM掘進情況對相應的施工管理方案進行完善，從而（ér）更高效地進（jìn）行施工（gōng）和（hé）管理。目前（qián），國際上有三台線性試驗機，分別在美國科羅拉（lā）多礦業學院、土耳其伊期坦布爾理（lǐ）工大學（Istanbul Techni cal University）和韓國施（shī）工技術研究所（Institute ofConstruction Technology in Korea）。
 
       線性（xìng）滾刀破岩試驗最早由科羅拉（lā）多礦業學院提出並付諸實踐，其試驗機可以控製滾刀間距、貫（guàn）入度等變量，並且岩石試樣為大塊原狀岩樣（1 100 mm× 800mm×600 mm），可以避免由尺寸效應帶來的誤差[6]。韓國施工技術研究所的線性試驗機是基於科羅（luó）拉多礦業學院試驗機而設計的，但在結構和試驗操作上均有所改進，如試樣盒、傳感器等方麵，而且在試驗中還增加了新的測量技術，如利用攝影測量（liàng）法和ShapeMetrix 3D三維評價（jià）軟件對試驗過程中產生的岩屑的體積進行準確的測量[7，8]。
 
      土耳其伊期坦布爾理（lǐ）工大學（xué）的試驗機（jī）與科羅拉多礦業學院試驗機在功能上（shàng）基本一樣[9]。通過此試驗（yàn）機也解決了（le）大量的（de）機械設（shè）計與工程施工問題。上述三台線性試驗（yàn）機從本質上說沒有太大差別，僅能用（yòng）一把滾刀、刮刀或刀齒（chǐ）進行線性破岩試驗，且受其框架剛度限製，當滾（gǔn）刀力過大時，存在侵入深度測不準的問題。另（lìng）外，美（měi）國（guó）及（jí）土耳其（qí）的試驗機還存在岩樣固（gù）定較（jiào）為麻（má）煩的問題（tí），韓國的試驗機吸取（qǔ）了前二台試驗機的經（jīng）驗，對（duì）岩樣箱作了改進，使（shǐ）之得到很好的解決。
 
     由於國內岩石隧道掘進機開挖案例越來越多，對機械破（pò）岩試驗（yàn）機及其（qí）試驗也更加重視，最近已有兩（liǎng）台試驗機（jī）研製成功。其中一台為盾構及（jí）掘進技術國（guó）家重點（diǎn）實驗室擁有，該試驗機是回（huí）轉式滾刀破岩機，其可放最大試樣直徑為（wéi） 2 000 mm，厚（hòu）度為 300mm，可以安裝 1～3 個刀座，以及直徑為 19 英寸（483 mm）的盤形滾刀。其加（jiā）載方式為軸向主動力加載，最大荷載可達1 000 kN。該試驗機安裝了聲發射傳感器，可（kě）進行（háng）岩樣破裂聲學全頻譜監測[10]。中南（nán）大學（xué）的試（shì）驗機也屬（shǔ）於回轉式試驗機。該試（shì）驗機（jī）的加載（zǎi）方式為主動加載方式，最大推力為1 000kN，刀盤上最多可以安裝六把刀具，其刀具包括（kuò）滾（gǔn）刀和切刀兩種，滾刀直徑為 8.5 英寸（216 mm）。
通（tōng）過三向力傳感器可以實時（shí）監測破岩荷載[11]。
 
     國內的兩台試（shì）驗機均為旋轉試樣方式破岩，岩樣均為圓盤形，岩樣（yàng）不（bú）易切割成形，安裝不易（yì）。另外，滾刀加載方式均為主動加載，在試（shì）驗過程中需獲（huò）得侵（qīn）入深（shēn）度和（hé）作（zuò）用力兩個參數（shù）。中南大學試驗台（tái）滾刀及其它尺寸采（cǎi）用（yòng） 1∶2 縮（suō）小（xiǎo）比進行設計，不是足尺試驗。
 
     隨著經濟的發（fā）展，基礎設施的建設，如水利、鐵路、公路隧道（dào）工（gōng）程向著更長、更深發展，各種開（kāi）挖機械大量運用到地（dì）下工程建設中。如已經建成的秦嶺鐵路TBM隧道[12]、錦屏二級水電站引水隧洞[3]、正在規劃的南水北調西線（xiàn）工程隧洞[13、列奇堡高速鐵路隧道[14]、聖（shèng）哥達（dá）高速鐵（tiě）路隧道[15]等，其埋深都超過1 500 m，地應力對掘進機開挖的影響非常顯巨，包括開挖速度及滾刀（dāo）的異（yì）常磨損等。簡單的滾刀線性破岩試驗（yàn）或轉動破岩試驗已（yǐ）無法滿足多種工況、多種開挖工具的模擬。由北京工業大學自主研製的機械破岩試驗平台吸取了已（yǐ）有試驗機的優點，強化了其原（yuán）有試驗能（néng）力，增加（jiā）了多種複雜工況的模擬功能。
 
     2 、試驗平台設計思路及關（guān）鍵參數確定
 
     機械破岩試驗平台考慮的施工機械包括掘進機、反井鑽機、鉸孔鑽機、盾構機、巷（xiàng）道掘進機等施工機械的施工。它需要模擬（nǐ）施工的刀具有單刃滾刀、雙刃（rèn）滾刀、鑲齒滾刀、刮（guā）刀及不同類型齒刀的破岩過（guò）程。它需要模（mó）擬的地質條件有不同類型的岩石或岩（yán）體結構（gòu）、地應力。由（yóu）於需要考慮以上因素及其組合對機械破岩的影響，其（qí）設計的關鍵（jiàn）因素（sù）包括試驗組合的最大推力、最大扭矩、最大地應力（lì）、岩石或（huò）岩體試驗箱的大小、實現（xiàn）線性和旋（xuán）轉破岩功能。
 
     本機械破岩試驗平台設定的獨立變量（liàng）有（yǒu）：試樣的岩石類型或岩體結（jié）構類型、地應力大小、刀具切割方式、刀具貫入度。需（xū）測定的參數包括：刀具三向作用力、切割係數、比能、岩石碎屑分布及形狀。常變量有刀具切割間距、切割順序、切割速度。
 
     2.1 試樣尺寸（cùn）參數

     試樣的尺寸決（jué）定試（shì）樣箱的尺寸，試樣箱（xiāng）的大（dà）小也基本上（shàng）決定了縱向（xiàng）平移小車、橫向平移小車的長度和（hé）寬度，進而決定了底部框架的長度和寬度，所以試樣的尺（chǐ）寸選擇對（duì）整個機械破（pò）岩試驗（yàn）平台的尺寸設計（jì）至關重要。在（zài）試樣尺寸的（de）選（xuǎn）擇上，最主要的（de）考慮（lǜ）是試樣尺寸對（duì）破岩試驗結果的影響。
 
     Cho（2010）用三（sān）維動態壓裂方法對滾刀破岩進行數（shù）值模擬，研究了試樣尺（chǐ）寸對滾（gǔn）刀破岩試驗（yàn）中比能的影響[7,8]，並得出試樣的尺寸隻要能滿（mǎn）足（zú）長（zhǎng）度100 mm、寬度 100 mm、高度 30 mm 即可。Gong 等(2006)應用UDEC計算了節（jiē）理對滾刀破岩的（de）影響（xiǎng），滾刀破岩（yán）產生的豎向裂紋能直接到達節理（lǐ）間距為200mm 的節理麵，而節理間距達到 500 mm 時，節理對滾刀破岩影響不大[18]。因此（cǐ），為了（le）觀察試驗時產生的豎向裂縫的擴展情況及影響區域，模擬不同節理間（jiān）距對破（pò）岩的影響，試樣的高度最少要取500 mm。在實際的試驗過程中，不可能隻對試樣進行一次切割，而是需要在（zài）不同的（de）刀間（jiān）距和貫入度組合下對試樣進行多次切割破岩試驗（yàn），而且為了（le）消除端部效（xiào）應，切（qiē）割時要在（zài）邊緣預留一定的（de）空間，最靠邊上（shàng）的切槽數據也是要排除的。所以（yǐ）實際試（shì）驗中選取試（shì）樣的尺寸會遠遠大於上麵所說的尺寸。另外，從試驗（yàn）的經濟（jì）性和操作性上考慮，也要（yào）求盡可能地用一塊試樣做盡量（liàng）多的試驗。從國外（wài）已做過的線性試驗看：其所采用的試樣（yàng）一（yī）般長度在 1 000 mm 左右，寬度在700 mm左右，厚度則在300~500 mm之間（jiān），故（gù）在本試驗平台的設計中，以此（cǐ）值為參考，確定試樣的最大尺寸為1 000 mm×1 000 mm×600 mm。
 
      2.2 推力參數
 
     試驗時作用於刀具上的三向力（尤其（qí）是豎向力）的大小決定了機（jī）械破岩試（shì）驗平台整（zhěng）體框架的設計剛度，直接影響到框架材料及參數選取，同時也決定了三向傳感器、導軌及滑塊（kuài）等的選取。
 
     在地下工（gōng）程掘進機械中，TBM 所需推力較大，故以（yǐ）TBM 為標準設計試驗機最大推力。TBM 破岩是利用（yòng）刀具對岩石的壓入（rù），形成壓碎區，在滾刀之間出現（xiàn）拉破壞而產生岩片。刀具推力的（de）大小與岩石（shí）的抗壓強度（dù）有極大的關係。目前 TBM 已有在岩石單軸抗壓強（qiáng）度達到 420 MPa 的硬岩中成功施工的案例。對盤形滾刀來說，現在正在向著（zhe）越來越大的直徑（jìng）發展（zhǎn），其可承受的荷載也越來越高[16]。目前已經推出有 21 英寸的盤形（xíng）滾刀，它將能承受更高的荷載。
 
     由（yóu）Gertsch[6]等（2007）在線性試（shì）驗機上用直徑（jìng）17英寸（cùn）的常截麵滾刀對單軸抗壓強（qiáng）度為158 MPa的花崗岩進行破岩（yán）試驗，以及Jung-Woo Cho[7,8]等（2013）在線性試驗機上用直徑17英寸的常截麵（miàn）滾刀對單軸抗壓強度為209 MPa的（de）花崗岩進行破岩試驗所得出的試驗數（shù）據可以看出，滾刀最大豎向力與平均豎向力之比約為（wéi） 2。掘進機的滾刀（dāo）受力設計為平均力，其（qí）破岩時力的瞬時波動可能達到2倍左右。在本機械破岩試驗平台的設計中，考慮了兩把刀具同時破岩的工況，還要為以後使用更大的（de）刀具（jù）、三把以上（shàng）的刀具同（tóng）時作用留下空間，還考慮施加圍壓後，刀具破（pò）岩推力會更大，並考慮（lǜ）有一定的安全儲備，故此試驗平台的設計推（tuī）力為2 000 kN，使其具有足夠的剛度。
 
      2.3 圍壓參數
   
      試驗平台的圍壓係統是為了模擬（nǐ）地應力工況，試驗（yàn）時施（shī）加的圍壓大小取決於（yú）實際工程中的地應力。試驗中由推力油缸對試樣施加圍壓，故對試樣（yàng）所（suǒ）加圍壓的大小一方麵決定了推力油缸液壓係統參數的選（xuǎn）取；另一方麵，試（shì）驗時承受推力油缸反作用力（lì）的是圍壓試樣盒（hé），所以初始應力的大小也決定了試樣盒的設計強度和剛度。
 
     高地應力是一個相對（duì）的概（gài）念，中科院孫廣忠教授(1993)[17]就曾指出，強烈構造作用（yòng）地區，地應力與岩體強度有關；輕緩構造作用地區，岩體內儲存的地應力大小與岩石彈性模量直接有關，即彈性模量（liàng）大的岩體內（nèi）地應力高（gāo），彈性模量（liàng）小的岩體內地應力低。
 
     目前，應用地應力值與岩石或岩體強（qiáng）度之比來判（pàn）斷（duàn）地應力狀態的劃分方法得到較多數（shù）人的認可。工程實踐中大多將大於20 MPa的硬質岩體（tǐ）內的初（chū）始應（yīng）力稱為高（gāo）地應力。考慮（lǜ）到本試驗平台將來要用於（yú）模擬高地應力區的TBM施工（gōng），在（zài）設（shè）計中按照這樣的標準對圍壓油缸進行設計：當試樣盒中放入（rù）的試樣尺（chǐ）寸（cùn）為1 000 mm×1 000 mm×600 mm時，液壓（yā）油缸可以對其施加20 MPa的圍壓。這樣（yàng），當減小試樣尺寸（cùn）時，則可對其施更高的圍壓。
 
      2.4 線性破岩與旋轉破岩功能
 
      線性破岩是最簡單有效的（de）試驗破岩方式，已經廣泛（fàn）用於地下工程（chéng）施工機械破岩等領域的研究。它可以近（jìn）似模擬實（shí）際工程中刀具以較大半徑旋轉破岩的情況。但是當旋轉破岩半徑較小時，線性試（shì）驗就無法真實地模擬其破岩情況。本機械破（pò）岩試驗平台（tái）保留了傳統線性試驗機的所有（yǒu）功能，並增加了旋轉（zhuǎn）破岩這一更加符合實際工況的功能。
 
      旋轉破岩與直線（xiàn）破岩到底有多大差異，尤其對於鑲齒滾刀來講可能差異性（xìng）更大，但由於之前的試驗設備沒有此項能力，沒有對此（cǐ）進行深入研究。為了更加真實地模擬一些地下掘進機（jī）械的旋轉掘進方式，此試驗平台實現了這一功能。要在同一平台上（shàng）實現直線與旋轉破岩功能（néng），這也是本試驗平台的一個難點（diǎn）。最終通過在同一平台上，設計一個旋轉試樣台來（lái）解決這一問題。旋轉試樣台主要包括旋轉（zhuǎn）試樣（yàng）盒及與其配套的機械裝置和液壓係統。試（shì）驗時由液壓係統帶動試樣盒（hé）進行旋轉，使作用（yòng）在試樣（yàng）上方的刀具（jù）以圓周運（yùn）動的方式對（duì）其進行切割破岩，以模（mó）擬機械施工過程中刀盤上刀具的旋轉切割破岩過（guò）程。
 
     3 、機械破岩（yán）平台的組成
 
     機械破岩平台破岩（yán）方式設計有臥式和立式兩種。臥式破岩是破（pò）岩刀（dāo）具與岩石試樣（yàng）水平布置，破岩工作麵（或稱之（zhī）為掌子麵）處於豎直平麵。這樣可以更加真實地模擬掘進機械（xiè）破岩（yán）狀況（kuàng），在重（chóng）力作（zuò）用下，岩屑產生後可以自由掉落，便於（yú）搜集岩屑。但是此方式給（gěi）岩石的吊裝及固（gù）定帶來極大困難，且由於岩石較重，試樣箱的旋轉以及支撐較為困難，所以（yǐ）隻（zhī）能刀具（jù）旋轉；但是由（yóu）於水平方向加（jiā）載力過大給機械機構設計（jì）帶來一定的困難，並使其占（zhàn）地麵積成倍增加。而（ér）立式結構和驅動（dòng）相對簡（jiǎn）單，由於機器主（zhǔ）要受力方向轉換為（wéi）豎向，機器底部與地梁連成一體，所以隻需考慮機器上部的剛度，節省了材料，岩樣箱（xiāng）、刀具及刀座更換或（huò）調（diào）整簡單方便（biàn），控製量測裝置布設更加容易，占地麵積較小，且實驗完畢後可以查看岩屑在掌子麵的（de）分布情況。從（cóng）節約成（chéng）本和實現其基本功能的角度出發，選擇立式破岩方式的設（shè）計方案，如圖1所示（shì）。
  

    
  
     圖1 機械破岩試驗（yàn）平台（tái）的幾何模型
 
     3.1 機械係統
 
     機械係統是試驗平台的主體，構成了試驗平台的外形，同時也是液壓係統的（de）載體（tǐ）。機械部分主要包括一個大型的鋼結構框架、移動平車、移動滑軌組件、調模機構（圖2）、刀架組件、直（zhí）線導軌和試樣盒（圖3，圖4）。調模（mó）機構（gòu）的設計比較獨特，它是在注（zhù）塑機調模裝（zhuāng）置的基礎上稍加改造而成，通過大齒輪帶動四個小齒輪轉動，並與四根（gēn）導向杆上的螺紋咬合，可以使模板精確地（dì）上（shàng）下移動，達到（dào）預（yù）定坐標後鎖死，從而可以（yǐ）精確設定刀具的豎向切入深度。圖3、圖4顯（xiǎn）示了兩個岩（yán）樣箱差異，一個（gè）可（kě）以加圍壓，一個（gè）可以轉動；試樣都是塊（kuài）狀的，易於切（qiē）割成形，易於按裝到試樣箱中。平（píng）移試樣靠液壓方式固定，旋轉試樣靠機械方式（shì）固定。
 
      3.2 液壓係統
 
      液壓係統是整個試驗平台的動力係統，提（tí）供驗時所需要的動力和壓力，係（xì）統主要包括液壓站、液壓油缸及配套的軟（ruǎn）管試驗中按指令完（wán）成一（yī）係列的（de）動作。
 

       圖2 調模機構

      
 
       圖3 圍壓（yā）試樣盒

     
 
       圖4 旋轉（zhuǎn）試樣盒及旋轉裝置
 
      機械（xiè）破（pò）岩試驗平台（tái）的液壓係統是通過四組油缸和液壓（yā）馬達完成四個基本動作：控（kòng）製移動平車的橫向（xiàng）及縱向位移；控製圍壓試樣盒中對試樣施加的圍壓；控製旋轉試樣盒的轉動及轉速。液（yè）壓係統的主要參數見表1。
 
                         表1 液壓係（xì）統的主要參數
     
  
       3.3 自動控（kòng）製係統
 
      試驗平台的自動控製係統采用西門子 PLC 係統，主要由（yóu）流量控製、加載控製、位（wèi）移控製、溫（wēn）度及液麵控製係統組成。

      控製係統（tǒng）集成在控（kòng）製台（tái）上，具有可視化的人機界麵，如圖5所示。試驗時可（kě）以在人機界麵中直接設定各種試驗流程、加載壓力、加載流量、加載時間等，可以直接輸入預設（shè）的試樣（yàng）盒及刀（dāo）具的位移坐標，控製其達到預設位移。試樣盒（hé）位移精度達到1 mm，刀具位移精度達到 0.1 mm。人機（jī）界麵在試驗過程中（zhōng）會給（gěi）予操作者各類提示，以防在操作過程中出錯。它能夠顯示刀具瞬時力、三向力隨時間變化曲線、試樣箱“X”、“Y”（前後左右）方向位移曲線、岩石及刀具位移坐標、油液位狀態、各手動油閥的開關狀態、輔（fǔ）泵（bèng）的運轉狀態、各電磁閥的通電狀態並可在油溫超（chāo）高或超（chāo）低、油路堵塞時報警。其上還有一些控製按鈕，如控製旋轉試樣（yàng）盒旋轉（zhuǎn）方向的“旋轉順”、“旋轉逆”按鈕，其旋轉（zhuǎn）速度可以設定為0~8 rpm，以（yǐ）及（jí）用於岩（yán）石試樣裝卸的“手動按鈕”以及泵站的啟停按鈕等。
 

                               圖5 控製麵板
   
     另外，控製係統有自動與手動兩種測試方式：當采用自動方（fāng）式時（shí），試驗員操（cāo）縱泵站，計算機發出測試指令，控製相應的元件，自動完成測試及記錄，並打印出試驗報表和試驗曲線；手動測試時則由人工測試及記錄。係統加載壓力比例控製（zhì）亦可以采用手動調節和計算機控製調節兩種方式（shì）進（jìn）行控製。
 
     3.4 數據采集係統（tǒng）
 
     試驗平台的數據采集係統硬件由工控（kòng）機（計算機）、傳感器、信號調理裝置及輸入-輸出接口組成，在試（shì）驗過程中重點需要監控並準確采集以下參數：
 
    （1）作用於刀具上的三個方向的力。此力為被動力，由刀具上（shàng）方固定的三軸向負載傳感器進行測量，是本試驗中最為重要的參數（shù）；
    （2）橫向推力油（yóu）缸推動橫向移動平車時，平車的位移；
    （3）縱向推力油缸恒速或恒（héng）壓推動縱向移動平車時，平車的（de）位移和速（sù）度；
    （4）旋轉試驗盒中液壓馬（mǎ）達的扭矩和轉速；
    （5）當用圍壓試驗裝置進（jìn）行試驗時，圍（wéi）壓（yā）試驗裝置中液壓油缸的壓力；
    （6）調模機構的豎向位移。
 
     另外還有一些參數並不是數據（jù）采集係統能夠采集到的，如試驗時（shí）刀具切割下的岩（yán）屑的體積、塊度及（jí）破碎角（jiǎo）等，這些參數則需要試驗人員在試驗過（guò）程中或試驗結束後測量或者計算獲得。
 
     最終的機械破岩試驗平台整體效果如圖 6 所示。

    

     4.2 圍壓條件下滾（gǔn）刀破岩試驗
 
     圍壓試驗（yàn）的其它條件與（yǔ）常規線性（xìng）試驗相同，岩石試樣尺寸為1 000 mm×1 000 mm×600 mm。設定圍壓大小X方向P=10 MPa，Y方向P=15 MPa。滾刀直徑為 17 英寸（432 mm），設（shè）定（dìng）刀間距為 80 mm，侵入深度1 mm。圖10為盤形滾刀在（zài）設定圍壓條件下切割岩（yán）石時的破岩效果，岩麵更為（wéi）平整。三向力（lì）隨時間變化曲（qǔ）線如圖11、圖（tú）12所示，其平均法向力為182.2 kN，平均（jun1）滾動（dòng）力5.2 kN，其法向（xiàng）力的變化幅度比沒有圍壓時要（yào）小，但其平（píng）均（jun1）法（fǎ）向力受到圍壓作（zuò）用而增大，反映了圍壓效應。

            圖10 圍壓條件下盤形滾（gǔn）刀線性破岩（yán）效果圖
    

                圖11 盤（pán）形滾刀法向力和時間關係曲線

  
      4.3 旋轉破岩（yán）試（shì）驗
 
      在試驗平台上實現（xiàn）了鑲齒滾刀（dāo）破岩試（shì）驗（yàn），所用鑲齒滾刀直徑為12英寸（304.8 mm），試（shì）驗中貫入度為1mm，旋轉半徑為310 mm。岩石試樣尺寸為1 000 mm×1 000 mm×600 mm，為北山花崗岩。所用試樣箱為旋轉試樣箱。將滾刀以固定的貫入度直線切入岩石，待（dài）岩石旋轉中心與滾刀相對公轉中心對準時（shí），開始旋轉（zhuǎn）破岩。在試驗中記錄鑲齒滾刀三向（xiàng）力並計（jì）算（suàn）其（qí）比能（néng）。針對（duì）該岩石試樣分析了貫入度對法（fǎ）向力、滾動力和比能的影響，以及對比分析未處理岩麵和已處理岩麵的破岩力（lì）和破岩效果。

    
  
                圖12 盤形滾（gǔn）刀（dāo）滾動力、側向力與時間關係曲線
   
     圖13為鑲齒滾（gǔn）刀破岩效果圖（tú），鑲齒滾（gǔn）刀破岩形成的岩片（piàn）比較（jiào）小，岩粉（fěn）較多。鑲齒（chǐ）滾刀三向力隨時間變化（huà）如圖14、圖15所示，鑲（xiāng）齒滾刀的法向力波動很（hěn）小，滾（gǔn）動力、側向力（lì）隨（suí）著（zhe）岩片的產生而波動，平均滾動力為5.3 kN，但其側向力由於破岩麵為錐形麵不（bú）能相互（hù）抵消，為一個（gè）方向的力，這與盤形滾刀破岩是不同的。
  

     
  
                   圖（tú）13 鑲齒滾刀破（pò）岩效果
   
 
     通過以上試驗數據可（kě）知（zhī），滾刀破岩（yán）時滾刀三向力是一種波動力，並在一定範圍內（nèi）波動。鑲齒滾刀力的波動範圍相對於盤形滾刀較小，這和其破岩機理有密切關（guān）係。常規（guī）線性破（pò）岩試（shì）驗盤形滾刀三向力均比圍壓工況下盤形滾刀三（sān）向力小。這反映（yìng）了當地應力較大時，盤形滾刀侵入相（xiàng）同的深（shēn）度，其所需盤形滾刀三向力較大。
 
     通（tōng）過（guò）常規線性破岩試（shì）驗、圍壓（yā）破岩試驗（yàn）以及旋轉方式破岩試驗，得到了一些刀具破岩的重要數據（jù），以及在工（gōng）地難以看到的破岩現象，驗證了該機械破岩平台各項功能的可靠性與實用性。它成為目前完成工況（kuàng）最多、實用性最強、模擬實際工程最接近真實的（de）機械（xiè）破岩平台。
 

                    圖14 鑲齒滾（gǔn）刀法向力和時間關係曲線

     
 
              圖15 鑲齒（chǐ）滾刀（dāo）滾動（dòng）力、側向力與時間關係（xì）曲線
 
     5 、結 論
 
     通過對已有機械破（pò）岩試驗平台的調研與功能分析，綜合目（mù）前隧道機械開挖（wā）的工況，在原有線性滾刀破岩試驗機的基礎上，增加了大尺（chǐ）寸多滾刀破岩功能、圍壓功能、旋轉破岩（yán）功（gōng）能。試驗平台的承載能力、試驗的刀具類型、破岩工況得到大幅度的提高。岩樣箱的設（shè）計考慮到了岩體（tǐ）的結構及滾刀破岩裂紋擴（kuò）展（zhǎn）規律對（duì）試樣的要求，並考（kǎo）慮到（dào）試樣裝卸的方
便。試驗平台由機械係統、液壓係統、自（zì）動（dòng）控製（zhì）係統及數據采（cǎi）集係統組成。試（shì）驗平台研製完成後，進行了線性切割試驗、圍壓條件下線性切割（gē）試驗、鑲齒滾刀旋轉破岩試驗，獲得了可靠的數據和實驗（yàn）現象，驗（yàn）證了機械破岩試驗平台的各項功能。
 
     目前該平台的試驗能力（lì）、試驗工況、自動控製與（yǔ）測量水平均優於國內外同類型破岩試驗機，成為全球（qiú）第一台新型的多功能試驗平台。由於它可以真（zhēn）實全麵模擬破岩機械刀具的現場施工狀況，故用之研究刀具破岩機理，可以準確有效地（dì）指導（dǎo）實際工程中破岩機械的選型、設計、優化施工參（cān）數及進行掘進施工預測，為地（dì）下工程機械開挖（wā）服務。