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         摘 要 隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展及科技水平的提高，硬巖掘進(jìn)機(jī)、盾構(gòu)機(jī)、反井鉆機(jī)、巷道掘進(jìn)機(jī)等機(jī)械在地下工程施工中得到了空前發(fā)展，機(jī)械破巖試驗(yàn)成為地下工程施工機(jī)械不可或缺的一個(gè)試驗(yàn)手段，以指導(dǎo)地下工程施工機(jī)械設(shè)計(jì)和施工。文章介紹了北京工業(yè)大學(xué)自主研制的機(jī)械破巖試驗(yàn)平臺，該試驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)制造綜合考慮了高地應(yīng)力、刀盤旋轉(zhuǎn)和多個(gè)刀具同時(shí)破巖等工況，也考慮到不同破巖機(jī)械不同類型刀具破巖試驗(yàn)，還能在巖樣箱中考慮到不同的巖體結(jié)構(gòu)，可以真實(shí)模擬不同機(jī)械刀具的現(xiàn)場施工工況。試驗(yàn)平臺由機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。試驗(yàn)平臺制作完成后，進(jìn)行了多個(gè)不同工況的驗(yàn)證試驗(yàn)，達(dá)到了原定的設(shè)計(jì)要求。
 
      關(guān)鍵詞 機(jī)械破巖試驗(yàn)平臺 高地應(yīng)力 旋轉(zhuǎn) 刀具 巖體結(jié)構(gòu)
 
      1 、引 言
 
      21世紀(jì)是隧道及地下空間大發(fā)展的年代[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及科技水平的提高，地下空間的開挖手段也越來越成熟和多樣，如硬巖掘進(jìn)機(jī)（TunnelBoring Machine）、盾構(gòu)機(jī)(Shield Tunnelling Machine)、反井鉆機(jī)（Raise Boring Bachine）、巷道掘進(jìn)機(jī)（RoadHeader）等機(jī)械在地下工程施工中得到了廣泛的應(yīng)用。
 
      施工機(jī)械的成功應(yīng)用主要受以下四方面制約：地質(zhì)條件、設(shè)備的選型與配置、機(jī)械運(yùn)行參數(shù)和施工管理方案。其中地質(zhì)條件是既定不變的，不受人為因素影響，但設(shè)備的選型與配置、機(jī)械運(yùn)行參數(shù)的選擇和施工管理系統(tǒng)的完善都是可控的。對機(jī)器進(jìn)行合理地選型與設(shè)計(jì)并在施工中控制合適的運(yùn)行參數(shù)是一大難題，且面臨著許多的問題[2~5]。隨著地下工程的蓬勃發(fā)展，機(jī)械破巖試驗(yàn)已成為地下工程施工機(jī)械不可或缺的一個(gè)手段，用以指導(dǎo)地下工程施工機(jī)械設(shè)計(jì)和施工。巖石線性切割試驗(yàn)可以較真實(shí)地模擬TBM滾刀破巖，在過去30多年中被廣泛應(yīng)用，可以通過此試驗(yàn)選擇適合相應(yīng)地質(zhì)條件的 TBM，并預(yù)測機(jī)器運(yùn)行參數(shù)和掘進(jìn)速度，再通過實(shí)際工程中的實(shí)時(shí)反饋不斷進(jìn)行施工參數(shù)優(yōu)化，最后根據(jù)TBM掘進(jìn)情況對相應(yīng)的施工管理方案進(jìn)行完善，從而更高效地進(jìn)行施工和管理。目前，國際上有三臺線性試驗(yàn)機(jī)，分別在美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院、土耳其伊期坦布爾理工大學(xué)（Istanbul Techni cal University）和韓國施工技術(shù)研究所（Institute ofConstruction Technology in Korea）。
 
       線性滾刀破巖試驗(yàn)最早由科羅拉多礦業(yè)學(xué)院提出并付諸實(shí)踐，其試驗(yàn)機(jī)可以控制滾刀間距、貫入度等變量，并且?guī)r石試樣為大塊原狀巖樣（1 100 mm× 800mm×600 mm），可以避免由尺寸效應(yīng)帶來的誤差[6]。韓國施工技術(shù)研究所的線性試驗(yàn)機(jī)是基于科羅拉多礦業(yè)學(xué)院試驗(yàn)機(jī)而設(shè)計(jì)的，但在結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)操作上均有所改進(jìn)，如試樣盒、傳感器等方面，而且在試驗(yàn)中還增加了新的測量技術(shù)，如利用攝影測量法和ShapeMetrix 3D三維評價(jià)軟件對試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的巖屑的體積進(jìn)行準(zhǔn)確的測量[7，8]。
 
      土耳其伊期坦布爾理工大學(xué)的試驗(yàn)機(jī)與科羅拉多礦業(yè)學(xué)院試驗(yàn)機(jī)在功能上基本一樣[9]。通過此試驗(yàn)機(jī)也解決了大量的機(jī)械設(shè)計(jì)與工程施工問題。上述三臺線性試驗(yàn)機(jī)從本質(zhì)上說沒有太大差別，僅能用一把滾刀、刮刀或刀齒進(jìn)行線性破巖試驗(yàn)，且受其框架剛度限制，當(dāng)滾刀力過大時(shí)，存在侵入深度測不準(zhǔn)的問題。另外，美國及土耳其的試驗(yàn)機(jī)還存在巖樣固定較為麻煩的問題，韓國的試驗(yàn)機(jī)吸取了前二臺試驗(yàn)機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，對巖樣箱作了改進(jìn)，使之得到很好的解決。
 
     由于國內(nèi)巖石隧道掘進(jìn)機(jī)開挖案例越來越多，對機(jī)械破巖試驗(yàn)機(jī)及其試驗(yàn)也更加重視，最近已有兩臺試驗(yàn)機(jī)研制成功。其中一臺為盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室擁有，該試驗(yàn)機(jī)是回轉(zhuǎn)式滾刀破巖機(jī)，其可放最大試樣直徑為 2 000 mm，厚度為 300mm，可以安裝 1～3 個(gè)刀座，以及直徑為 19 英寸（483 mm）的盤形滾刀。其加載方式為軸向主動(dòng)力加載，最大荷載可達(dá)1 000 kN。該試驗(yàn)機(jī)安裝了聲發(fā)射傳感器，可進(jìn)行巖樣破裂聲學(xué)全頻譜監(jiān)測[10]。中南大學(xué)的試驗(yàn)機(jī)也屬于回轉(zhuǎn)式試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)的加載方式為主動(dòng)加載方式，最大推力為1 000kN，刀盤上最多可以安裝六把刀具，其刀具包括滾刀和切刀兩種，滾刀直徑為 8.5 英寸（216 mm）。
通過三向力傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測破巖荷載[11]。
 
     國內(nèi)的兩臺試驗(yàn)機(jī)均為旋轉(zhuǎn)試樣方式破巖，巖樣均為圓盤形，巖樣不易切割成形，安裝不易。另外，滾刀加載方式均為主動(dòng)加載，在試驗(yàn)過程中需獲得侵入深度和作用力兩個(gè)參數(shù)。中南大學(xué)試驗(yàn)臺滾刀及其它尺寸采用 1∶2 縮小比進(jìn)行設(shè)計(jì)，不是足尺試驗(yàn)。
 
     隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，如水利、鐵路、公路隧道工程向著更長、更深發(fā)展，各種開挖機(jī)械大量運(yùn)用到地下工程建設(shè)中。如已經(jīng)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(guī)劃的南水北調(diào)西線工程隧洞[13、列奇堡高速鐵路隧道[14]、圣哥達(dá)高速鐵路隧道[15]等，其埋深都超過1 500 m，地應(yīng)力對掘進(jìn)機(jī)開挖的影響非常顯巨，包括開挖速度及滾刀的異常磨損等。簡單的滾刀線性破巖試驗(yàn)或轉(zhuǎn)動(dòng)破巖試驗(yàn)已無法滿足多種工況、多種開挖工具的模擬。由北京工業(yè)大學(xué)自主研制的機(jī)械破巖試驗(yàn)平臺吸取了已有試驗(yàn)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)化了其原有試驗(yàn)?zāi)芰Γ黾恿硕喾N復(fù)雜工況的模擬功能。
 
     2 、試驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)思路及關(guān)鍵參數(shù)確定
 
     機(jī)械破巖試驗(yàn)平臺考慮的施工機(jī)械包括掘進(jìn)機(jī)、反井鉆機(jī)、鉸孔鉆機(jī)、盾構(gòu)機(jī)、巷道掘進(jìn)機(jī)等施工機(jī)械的施工。它需要模擬施工的刀具有單刃滾刀、雙刃滾刀、鑲齒滾刀、刮刀及不同類型齒刀的破巖過程。它需要模擬的地質(zhì)條件有不同類型的巖石或巖體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力。由于需要考慮以上因素及其組合對機(jī)械破巖的影響，其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素包括試驗(yàn)組合的最大推力、最大扭矩、最大地應(yīng)力、巖石或巖體試驗(yàn)箱的大小、實(shí)現(xiàn)線性和旋轉(zhuǎn)破巖功能。
 
     本機(jī)械破巖試驗(yàn)平臺設(shè)定的獨(dú)立變量有：試樣的巖石類型或巖體結(jié)構(gòu)類型、地應(yīng)力大小、刀具切割方式、刀具貫入度。需測定的參數(shù)包括：刀具三向作用力、切割系數(shù)、比能、巖石碎屑分布及形狀。常變量有刀具切割間距、切割順序、切割速度。
 
     2.1 試樣尺寸參數(shù)

     試樣的尺寸決定試樣箱的尺寸，試樣箱的大小也基本上決定了縱向平移小車、橫向平移小車的長度和寬度，進(jìn)而決定了底部框架的長度和寬度，所以試樣的尺寸選擇對整個(gè)機(jī)械破巖試驗(yàn)平臺的尺寸設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在試樣尺寸的選擇上，最主要的考慮是試樣尺寸對破巖試驗(yàn)結(jié)果的影響。
 
     Cho（2010）用三維動(dòng)態(tài)壓裂方法對滾刀破巖進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了試樣尺寸對滾刀破巖試驗(yàn)中比能的影響[7,8]，并得出試樣的尺寸只要能滿足長度100 mm、寬度 100 mm、高度 30 mm 即可。Gong 等(2006)應(yīng)用UDEC計(jì)算了節(jié)理對滾刀破巖的影響，滾刀破巖產(chǎn)生的豎向裂紋能直接到達(dá)節(jié)理間距為200mm 的節(jié)理面，而節(jié)理間距達(dá)到 500 mm 時(shí)，節(jié)理對滾刀破巖影響不大[18]。因此，為了觀察試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的豎向裂縫的擴(kuò)展情況及影響區(qū)域，模擬不同節(jié)理間距對破巖的影響，試樣的高度最少要取500 mm。在實(shí)際的試驗(yàn)過程中，不可能只對試樣進(jìn)行一次切割，而是需要在不同的刀間距和貫入度組合下對試樣進(jìn)行多次切割破巖試驗(yàn)，而且為了消除端部效應(yīng)，切割時(shí)要在邊緣預(yù)留一定的空間，最靠邊上的切槽數(shù)據(jù)也是要排除的。所以實(shí)際試驗(yàn)中選取試樣的尺寸會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上面所說的尺寸。另外，從試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性和操作性上考慮，也要求盡可能地用一塊試樣做盡量多的試驗(yàn)。從國外已做過的線性試驗(yàn)看：其所采用的試樣一般長度在 1 000 mm 左右，寬度在700 mm左右，厚度則在300~500 mm之間，故在本試驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)中，以此值為參考，確定試樣的最大尺寸為1 000 mm×1 000 mm×600 mm。
 
      2.2 推力參數(shù)
 
     試驗(yàn)時(shí)作用于刀具上的三向力（尤其是豎向力）的大小決定了機(jī)械破巖試驗(yàn)平臺整體框架的設(shè)計(jì)剛度，直接影響到框架材料及參數(shù)選取，同時(shí)也決定了三向傳感器、導(dǎo)軌及滑塊等的選取。
 
     在地下工程掘進(jìn)機(jī)械中，TBM 所需推力較大，故以TBM 為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)機(jī)最大推力。TBM 破巖是利用刀具對巖石的壓入，形成壓碎區(qū)，在滾刀之間出現(xiàn)拉破壞而產(chǎn)生巖片。刀具推力的大小與巖石的抗壓強(qiáng)度有極大的關(guān)系。目前 TBM 已有在巖石單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到 420 MPa 的硬巖中成功施工的案例。對盤形滾刀來說，現(xiàn)在正在向著越來越大的直徑發(fā)展，其可承受的荷載也越來越高[16]。目前已經(jīng)推出有 21 英寸的盤形滾刀，它將能承受更高的荷載。
 
     由Gertsch[6]等（2007）在線性試驗(yàn)機(jī)上用直徑17英寸的常截面滾刀對單軸抗壓強(qiáng)度為158 MPa的花崗巖進(jìn)行破巖試驗(yàn)，以及Jung-Woo Cho[7,8]等（2013）在線性試驗(yàn)機(jī)上用直徑17英寸的常截面滾刀對單軸抗壓強(qiáng)度為209 MPa的花崗巖進(jìn)行破巖試驗(yàn)所得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，滾刀最大豎向力與平均豎向力之比約為 2。掘進(jìn)機(jī)的滾刀受力設(shè)計(jì)為平均力，其破巖時(shí)力的瞬時(shí)波動(dòng)可能達(dá)到2倍左右。在本機(jī)械破巖試驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)中，考慮了兩把刀具同時(shí)破巖的工況，還要為以后使用更大的刀具、三把以上的刀具同時(shí)作用留下空間，還考慮施加圍壓后，刀具破巖推力會(huì)更大，并考慮有一定的安全儲備，故此試驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)推力為2 000 kN，使其具有足夠的剛度。
 
      2.3 圍壓參數(shù)
   
      試驗(yàn)平臺的圍壓系統(tǒng)是為了模擬地應(yīng)力工況，試驗(yàn)時(shí)施加的圍壓大小取決于實(shí)際工程中的地應(yīng)力。試驗(yàn)中由推力油缸對試樣施加圍壓，故對試樣所加圍壓的大小一方面決定了推力油缸液壓系統(tǒng)參數(shù)的選取；另一方面，試驗(yàn)時(shí)承受推力油缸反作用力的是圍壓試樣盒，所以初始應(yīng)力的大小也決定了試樣盒的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和剛度。
 
     高地應(yīng)力是一個(gè)相對的概念，中科院孫廣忠教授(1993)[17]就曾指出，強(qiáng)烈構(gòu)造作用地區(qū)，地應(yīng)力與巖體強(qiáng)度有關(guān)；輕緩構(gòu)造作用地區(qū)，巖體內(nèi)儲存的地應(yīng)力大小與巖石彈性模量直接有關(guān)，即彈性模量大的巖體內(nèi)地應(yīng)力高，彈性模量小的巖體內(nèi)地應(yīng)力低。
 
     目前，應(yīng)用地應(yīng)力值與巖石或巖體強(qiáng)度之比來判斷地應(yīng)力狀態(tài)的劃分方法得到較多數(shù)人的認(rèn)可。工程實(shí)踐中大多將大于20 MPa的硬質(zhì)巖體內(nèi)的初始應(yīng)力稱為高地應(yīng)力。考慮到本試驗(yàn)平臺將來要用于模擬高地應(yīng)力區(qū)的TBM施工，在設(shè)計(jì)中按照這樣的標(biāo)準(zhǔn)對圍壓油缸進(jìn)行設(shè)計(jì)：當(dāng)試樣盒中放入的試樣尺寸為1 000 mm×1 000 mm×600 mm時(shí)，液壓油缸可以對其施加20 MPa的圍壓。這樣，當(dāng)減小試樣尺寸時(shí)，則可對其施更高的圍壓。
 
      2.4 線性破巖與旋轉(zhuǎn)破巖功能
 
      線性破巖是最簡單有效的試驗(yàn)破巖方式，已經(jīng)廣泛用于地下工程施工機(jī)械破巖等領(lǐng)域的研究。它可以近似模擬實(shí)際工程中刀具以較大半徑旋轉(zhuǎn)破巖的情況。但是當(dāng)旋轉(zhuǎn)破巖半徑較小時(shí)，線性試驗(yàn)就無法真實(shí)地模擬其破巖情況。本機(jī)械破巖試驗(yàn)平臺保留了傳統(tǒng)線性試驗(yàn)機(jī)的所有功能，并增加了旋轉(zhuǎn)破巖這一更加符合實(shí)際工況的功能。
 
      旋轉(zhuǎn)破巖與直線破巖到底有多大差異，尤其對于鑲齒滾刀來講可能差異性更大，但由于之前的試驗(yàn)設(shè)備沒有此項(xiàng)能力，沒有對此進(jìn)行深入研究。為了更加真實(shí)地模擬一些地下掘進(jìn)機(jī)械的旋轉(zhuǎn)掘進(jìn)方式，此試驗(yàn)平臺實(shí)現(xiàn)了這一功能。要在同一平臺上實(shí)現(xiàn)直線與旋轉(zhuǎn)破巖功能，這也是本試驗(yàn)平臺的一個(gè)難點(diǎn)。最終通過在同一平臺上，設(shè)計(jì)一個(gè)旋轉(zhuǎn)試樣臺來解決這一問題。旋轉(zhuǎn)試樣臺主要包括旋轉(zhuǎn)試樣盒及與其配套的機(jī)械裝置和液壓系統(tǒng)。試驗(yàn)時(shí)由液壓系統(tǒng)帶動(dòng)試樣盒進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使作用在試樣上方的刀具以圓周運(yùn)動(dòng)的方式對其進(jìn)行切割破巖，以模擬機(jī)械施工過程中刀盤上刀具的旋轉(zhuǎn)切割破巖過程。
 
     3 、機(jī)械破巖平臺的組成
 
     機(jī)械破巖平臺破巖方式設(shè)計(jì)有臥式和立式兩種。臥式破巖是破巖刀具與巖石試樣水平布置，破巖工作面（或稱之為掌子面）處于豎直平面。這樣可以更加真實(shí)地模擬掘進(jìn)機(jī)械破巖狀況，在重力作用下，巖屑產(chǎn)生后可以自由掉落，便于搜集巖屑。但是此方式給巖石的吊裝及固定帶來極大困難，且由于巖石較重，試樣箱的旋轉(zhuǎn)以及支撐較為困難，所以只能刀具旋轉(zhuǎn)；但是由于水平方向加載力過大給機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來一定的困難，并使其占地面積成倍增加。而立式結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)相對簡單，由于機(jī)器主要受力方向轉(zhuǎn)換為豎向，機(jī)器底部與地梁連成一體，所以只需考慮機(jī)器上部的剛度，節(jié)省了材料，巖樣箱、刀具及刀座更換或調(diào)整簡單方便，控制量測裝置布設(shè)更加容易，占地面積較小，且實(shí)驗(yàn)完畢后可以查看巖屑在掌子面的分布情況。從節(jié)約成本和實(shí)現(xiàn)其基本功能的角度出發(fā)，選擇立式破巖方式的設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。
  

    
  
     圖1 機(jī)械破巖試驗(yàn)平臺的幾何模型
 
     3.1 機(jī)械系統(tǒng)
 
     機(jī)械系統(tǒng)是試驗(yàn)平臺的主體，構(gòu)成了試驗(yàn)平臺的外形，同時(shí)也是液壓系統(tǒng)的載體。機(jī)械部分主要包括一個(gè)大型的鋼結(jié)構(gòu)框架、移動(dòng)平車、移動(dòng)滑軌組件、調(diào)模機(jī)構(gòu)（圖2）、刀架組件、直線導(dǎo)軌和試樣盒（圖3，圖4）。調(diào)模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)比較獨(dú)特，它是在注塑機(jī)調(diào)模裝置的基礎(chǔ)上稍加改造而成，通過大齒輪帶動(dòng)四個(gè)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并與四根導(dǎo)向桿上的螺紋咬合，可以使模板精確地上下移動(dòng)，達(dá)到預(yù)定坐標(biāo)后鎖死，從而可以精確設(shè)定刀具的豎向切入深度。圖3、圖4顯示了兩個(gè)巖樣箱差異，一個(gè)可以加圍壓，一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)；試樣都是塊狀的，易于切割成形，易于按裝到試樣箱中。平移試樣靠液壓方式固定，旋轉(zhuǎn)試樣靠機(jī)械方式固定。
 
      3.2 液壓系統(tǒng)
 
      液壓系統(tǒng)是整個(gè)試驗(yàn)平臺的動(dòng)力系統(tǒng)，提供驗(yàn)時(shí)所需要的動(dòng)力和壓力，系統(tǒng)主要包括液壓站、液壓油缸及配套的軟管試驗(yàn)中按指令完成一系列的動(dòng)作。
 

       圖2 調(diào)模機(jī)構(gòu)

      
 
       圖3 圍壓試樣盒

     
 
       圖4 旋轉(zhuǎn)試樣盒及旋轉(zhuǎn)裝置
 
      機(jī)械破巖試驗(yàn)平臺的液壓系統(tǒng)是通過四組油缸和液壓馬達(dá)完成四個(gè)基本動(dòng)作：控制移動(dòng)平車的橫向及縱向位移；控制圍壓試樣盒中對試樣施加的圍壓；控制旋轉(zhuǎn)試樣盒的轉(zhuǎn)動(dòng)及轉(zhuǎn)速。液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)見表1。
 
                         表1 液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)
     
  
       3.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)
 
      試驗(yàn)平臺的自動(dòng)控制系統(tǒng)采用西門子 PLC 系統(tǒng)，主要由流量控制、加載控制、位移控制、溫度及液面控制系統(tǒng)組成。

      控制系統(tǒng)集成在控制臺上，具有可視化的人機(jī)界面，如圖5所示。試驗(yàn)時(shí)可以在人機(jī)界面中直接設(shè)定各種試驗(yàn)流程、加載壓力、加載流量、加載時(shí)間等，可以直接輸入預(yù)設(shè)的試樣盒及刀具的位移坐標(biāo)，控制其達(dá)到預(yù)設(shè)位移。試樣盒位移精度達(dá)到1 mm，刀具位移精度達(dá)到 0.1 mm。人機(jī)界面在試驗(yàn)過程中會(huì)給予操作者各類提示，以防在操作過程中出錯(cuò)。它能夠顯示刀具瞬時(shí)力、三向力隨時(shí)間變化曲線、試樣箱“X”、“Y”（前后左右）方向位移曲線、巖石及刀具位移坐標(biāo)、油液位狀態(tài)、各手動(dòng)油閥的開關(guān)狀態(tài)、輔泵的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、各電磁閥的通電狀態(tài)并可在油溫超高或超低、油路堵塞時(shí)報(bào)警。其上還有一些控制按鈕，如控制旋轉(zhuǎn)試樣盒旋轉(zhuǎn)方向的“旋轉(zhuǎn)順”、“旋轉(zhuǎn)逆”按鈕，其旋轉(zhuǎn)速度可以設(shè)定為0~8 rpm，以及用于巖石試樣裝卸的“手動(dòng)按鈕”以及泵站的啟停按鈕等。
 

                               圖5 控制面板
   
     另外，控制系統(tǒng)有自動(dòng)與手動(dòng)兩種測試方式：當(dāng)采用自動(dòng)方式時(shí)，試驗(yàn)員操縱泵站，計(jì)算機(jī)發(fā)出測試指令，控制相應(yīng)的元件，自動(dòng)完成測試及記錄，并打印出試驗(yàn)報(bào)表和試驗(yàn)曲線；手動(dòng)測試時(shí)則由人工測試及記錄。系統(tǒng)加載壓力比例控制亦可以采用手動(dòng)調(diào)節(jié)和計(jì)算機(jī)控制調(diào)節(jié)兩種方式進(jìn)行控制。
 
     3.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
 
     試驗(yàn)平臺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件由工控機(jī)（計(jì)算機(jī)）、傳感器、信號調(diào)理裝置及輸入-輸出接口組成，在試驗(yàn)過程中重點(diǎn)需要監(jiān)控并準(zhǔn)確采集以下參數(shù)：
 
    （1）作用于刀具上的三個(gè)方向的力。此力為被動(dòng)力，由刀具上方固定的三軸向負(fù)載傳感器進(jìn)行測量，是本試驗(yàn)中最為重要的參數(shù)；
    （2）橫向推力油缸推動(dòng)橫向移動(dòng)平車時(shí)，平車的位移；
    （3）縱向推力油缸恒速或恒壓推動(dòng)縱向移動(dòng)平車時(shí)，平車的位移和速度；
    （4）旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)盒中液壓馬達(dá)的扭矩和轉(zhuǎn)速；
    （5）當(dāng)用圍壓試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，圍壓試驗(yàn)裝置中液壓油缸的壓力；
    （6）調(diào)模機(jī)構(gòu)的豎向位移。
 
     另外還有一些參數(shù)并不是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠采集到的，如試驗(yàn)時(shí)刀具切割下的巖屑的體積、塊度及破碎角等，這些參數(shù)則需要試驗(yàn)人員在試驗(yàn)過程中或試驗(yàn)結(jié)束后測量或者計(jì)算獲得。
 
     最終的機(jī)械破巖試驗(yàn)平臺整體效果如圖 6 所示。

    

     4.2 圍壓條件下滾刀破巖試驗(yàn)
 
     圍壓試驗(yàn)的其它條件與常規(guī)線性試驗(yàn)相同，巖石試樣尺寸為1 000 mm×1 000 mm×600 mm。設(shè)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)定刀間距為 80 mm，侵入深度1 mm。圖10為盤形滾刀在設(shè)定圍壓條件下切割巖石時(shí)的破巖效果，巖面更為平整。三向力隨時(shí)間變化曲線如圖11、圖12所示，其平均法向力為182.2 kN，平均滾動(dòng)力5.2 kN，其法向力的變化幅度比沒有圍壓時(shí)要小，但其平均法向力受到圍壓作用而增大，反映了圍壓效應(yīng)。

            圖10 圍壓條件下盤形滾刀線性破巖效果圖
    

                圖11 盤形滾刀法向力和時(shí)間關(guān)系曲線

  
      4.3 旋轉(zhuǎn)破巖試驗(yàn)
 
      在試驗(yàn)平臺上實(shí)現(xiàn)了鑲齒滾刀破巖試驗(yàn)，所用鑲齒滾刀直徑為12英寸（304.8 mm），試驗(yàn)中貫入度為1mm，旋轉(zhuǎn)半徑為310 mm。巖石試樣尺寸為1 000 mm×1 000 mm×600 mm，為北山花崗巖。所用試樣箱為旋轉(zhuǎn)試樣箱。將滾刀以固定的貫入度直線切入巖石，待巖石旋轉(zhuǎn)中心與滾刀相對公轉(zhuǎn)中心對準(zhǔn)時(shí)，開始旋轉(zhuǎn)破巖。在試驗(yàn)中記錄鑲齒滾刀三向力并計(jì)算其比能。針對該巖石試樣分析了貫入度對法向力、滾動(dòng)力和比能的影響，以及對比分析未處理巖面和已處理巖面的破巖力和破巖效果。

    
  
                圖12 盤形滾刀滾動(dòng)力、側(cè)向力與時(shí)間關(guān)系曲線
   
     圖13為鑲齒滾刀破巖效果圖，鑲齒滾刀破巖形成的巖片比較小，巖粉較多。鑲齒滾刀三向力隨時(shí)間變化如圖14、圖15所示，鑲齒滾刀的法向力波動(dòng)很小，滾動(dòng)力、側(cè)向力隨著巖片的產(chǎn)生而波動(dòng)，平均滾動(dòng)力為5.3 kN，但其側(cè)向力由于破巖面為錐形面不能相互抵消，為一個(gè)方向的力，這與盤形滾刀破巖是不同的。
  

     
  
                   圖13 鑲齒滾刀破巖效果
   
 
     通過以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，滾刀破巖時(shí)滾刀三向力是一種波動(dòng)力，并在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。鑲齒滾刀力的波動(dòng)范圍相對于盤形滾刀較小，這和其破巖機(jī)理有密切關(guān)系。常規(guī)線性破巖試驗(yàn)盤形滾刀三向力均比圍壓工況下盤形滾刀三向力小。這反映了當(dāng)?shù)貞?yīng)力較大時(shí)，盤形滾刀侵入相同的深度，其所需盤形滾刀三向力較大。
 
     通過常規(guī)線性破巖試驗(yàn)、圍壓破巖試驗(yàn)以及旋轉(zhuǎn)方式破巖試驗(yàn)，得到了一些刀具破巖的重要數(shù)據(jù)，以及在工地難以看到的破巖現(xiàn)象，驗(yàn)證了該機(jī)械破巖平臺各項(xiàng)功能的可靠性與實(shí)用性。它成為目前完成工況最多、實(shí)用性最強(qiáng)、模擬實(shí)際工程最接近真實(shí)的機(jī)械破巖平臺。
 

                    圖14 鑲齒滾刀法向力和時(shí)間關(guān)系曲線

     
 
              圖15 鑲齒滾刀滾動(dòng)力、側(cè)向力與時(shí)間關(guān)系曲線
 
     5 、結(jié) 論
 
     通過對已有機(jī)械破巖試驗(yàn)平臺的調(diào)研與功能分析，綜合目前隧道機(jī)械開挖的工況，在原有線性滾刀破巖試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上，增加了大尺寸多滾刀破巖功能、圍壓功能、旋轉(zhuǎn)破巖功能。試驗(yàn)平臺的承載能力、試驗(yàn)的刀具類型、破巖工況得到大幅度的提高。巖樣箱的設(shè)計(jì)考慮到了巖體的結(jié)構(gòu)及滾刀破巖裂紋擴(kuò)展規(guī)律對試樣的要求，并考慮到試樣裝卸的方
便。試驗(yàn)平臺由機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。試驗(yàn)平臺研制完成后，進(jìn)行了線性切割試驗(yàn)、圍壓條件下線性切割試驗(yàn)、鑲齒滾刀旋轉(zhuǎn)破巖試驗(yàn)，獲得了可靠的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，驗(yàn)證了機(jī)械破巖試驗(yàn)平臺的各項(xiàng)功能。
 
     目前該平臺的試驗(yàn)?zāi)芰Α⒃囼?yàn)工況、自動(dòng)控制與測量水平均優(yōu)于國內(nèi)外同類型破巖試驗(yàn)機(jī)，成為全球第一臺新型的多功能試驗(yàn)平臺。由于它可以真實(shí)全面模擬破巖機(jī)械刀具的現(xiàn)場施工狀況，故用之研究刀具破巖機(jī)理，可以準(zhǔn)確有效地指導(dǎo)實(shí)際工程中破巖機(jī)械的選型、設(shè)計(jì)、優(yōu)化施工參數(shù)及進(jìn)行掘進(jìn)施工預(yù)測，為地下工程機(jī)械開挖服務(wù)。