CN101788406B - 掘进机力传递特性试验装置 - Google Patents

Abstract

一种隧道工程技术领域的掘进机力传递特性试验装置，包括：底座、主顶机构、控制机构、液压机构、盾模拟机构和载荷模拟机构，底座上设有盾模拟机构和载荷模拟机构，主顶机构分别与盾模拟机构和载荷模拟机构相连，控制机构分别与盾模拟机构和液压机构相连，液压机构分别与载荷模拟机构和盾模拟机构相连。可对盾构机在掘进过程中的各种工况进行模拟，定性的分析盾构机推进装置在掘进过程中的力传递特性，为盾构机的顺应性方案设计奠定了基础。

Description

掘进机力传递特性试验装置

技术领域

本发明涉及的是一种隧道工程技术领域的装置，尤其涉及的是一种掘进机力传递特性试验装置。

背景技术

在真实工况中，盾构掘进机在掘进过程时，地质层会发生突变。突发的地质变化，会使盾构掘进机发生堵转、主轴断裂等，为了避免盾构掘进机在不同地质条件的掘进过程，发生如上工况，就必须对其力传递特性进行研究，并从此出发，提出顺应性方案。

要对掘进机力传递特性研究，必须对其掘进过程进行模拟还原。如要对掘进机在掘进过程中的力传递特性进行研究，就必须监测其在不同地质条件下，以及在地质发生突变时，各个推进缸的压力曲线，刀盘驱动电机的转速等。因此必须要研制一种掘进机力传递特性的试验装置，并与相关的计算机仿真技术结合，对掘进机的力传递特性进行研究。

经对现有技术的文献检索发现，至今为止，尚无相关的掘进机力传递特性的试验装置的报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种掘进机力传递特性试验装置，通过对不同地质条件下大型掘进装备的工况进行模拟，对掘进过程中的力传递特性做定性的分析，为盾构机的顺应性方案的设计奠定了基础。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：底座、主顶机构、控制机构、液压机构、盾模拟机构和载荷模拟机构，其中：底座上设有盾模拟机构和载荷模拟机构，主顶机构分别与盾模拟机构和载荷模拟机构相连，控制机构分别与盾模拟机构和液压机构相连，液压机构分别与载荷模拟机构和盾模拟机构相连。

所述的主顶机构包括：导轨、直线轴承和活动销，其中：导轨的端部和直线轴承相连，活动销活动设于导轨上。

所述的盾模拟机构包括：第一后靠、液压推进缸、驱动电机、模拟刀盘、第一推力止推轴承、第一摩擦片、球面支撑和支撑座，其中：第一后靠固定在底座上，直线轴承和第一后靠垂直固定，液压推进缸分别与第一后靠和模拟刀盘相连，活动销嵌于模拟刀盘的开口中，模拟刀盘的一端和驱动电机固定连接，另一端和第一推力止推轴承固定连接，驱动电机和液压缸同侧，第一推力止推轴承的内圈伸出端上设有第一摩擦片，模拟刀盘和球面支撑滑动相连，球面支撑和支撑座球副相连，支撑座和底座相连，液压推进缸分别与液压机构和控制机构相连，驱动电机和控制机构相连。

所述的支撑座和底座固定连接或者通过千斤顶支撑连接。

所述的驱动电机额定功率为3KW，基准转速1000rpm，额定转矩28Nm，恒转矩范围为30～1000r/min。

所述的第一摩擦片的摩擦系数为0.4～0.6。

所述的液压机构的工作压力为20MPa，流量为20～40L/min。

所述的载荷模拟机构包括：涡轮蜗杆减速机、第二后靠、第二推力止推轴承、载荷模拟加载器、第二摩擦片和液压加载缸，其中：第二后靠固定在底座上，第二后靠的一端和涡轮蜗杆减速机固定相连，另一端和第二推力止推轴承固定相连，载荷模拟加载器的一端和第二推力止推轴承的内圈伸出端相连，另一端上设有第二摩擦片，液压加载缸分别与液压机构和控制机构相连，液压加载缸的两端分别和和载荷模拟加载器的两端相连。所述的液压加载缸靠近第二推力止推轴承的一端和载荷模拟加载缸转动副相连，液压加载缸靠近第二摩擦片的一端和载荷模拟加载缸球副相连，液压加载缸的加载弯矩范围为0～10000Nm。

所述的涡轮蜗杆减速机的角度变化范围为0～180°，最大减速比为900∶1。

所述的第二摩擦片的摩擦系数为0.3～0.6。

所述的液压加载缸和液压推进缸中分别设有比例溢流阀，液压加载缸和液压推进缸分别通过比例溢流阀和液压机构相连。

所述的第一后靠和第二后靠分别设于底座的两端，底座、导轨、第一后靠和第二后靠形成了一个闭环的固定支撑。

本发明的工作过程是：进行实验前，确保支撑座的平面处于水平位置；通过涡轮蜗杆减速机调节载荷模拟机构的角度，并对液压加载缸进行低压(小于等于5MPa)供油，调节液压机构流量至40L/min，使模拟刀盘快进至距离第二摩擦片50mm处；调节液压机构流量至20L/min，并用驱动电机对模拟刀盘进行驱动，使第一摩擦片均匀转动并慢慢靠近第二摩擦片；待第一摩擦片与第二摩擦片进行平稳摩擦时，可对液压推进缸油压、驱动电机的转速、液压加载缸油压进行调节，进行不同参数下的实验；实验完成后，快退液压推进缸至第一摩擦片距离第二摩擦片200mm左右的位置，对液压机构卸油，整理器材。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明可对盾构机在掘进过程中的各种工况进行模拟，定性的分析盾构机推进装置在掘进过程中的力传递特性，为盾构机的顺应性方案设计奠定了基础。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的控制原理图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：底座1、主顶机构2、控制机构3、液压机构4、盾模拟机构5和载荷模拟机构6，其中：底座1上设有盾模拟机构5和载荷模拟机构6，主顶机构2分别与盾模拟机构5和载荷模拟机构6相连，控制机构3分别与盾模拟机构5和液压机构4相连，液压机构4分别与载荷模拟机构6和盾模拟机构5相连。

所述的主顶机构2包括：两条平行的导轨7、直线轴承8和活动销9，其中：导轨7的端部和直线轴承8相连，活动销9活动设于导轨7上。

所述的盾模拟机构5为16SPS(16-Spherical-prismatic-spherical Joints，16个球副-移动副-球副平行连接)的并联机构，包括：第一后靠10、16个液压推进缸11、驱动电机12、模拟刀盘13、第一推力止推轴承14、第一摩擦片15、球面支撑16和支撑座17，其中：第一后靠10固定在底座1上，直线轴承8和第一后靠10垂直固定，16个液压推进缸11平行布置，液压推进缸11分别与第一后靠10和模拟刀盘13相连，活动销9嵌于模拟刀盘13的开口中，可以防止模拟刀盘13在掘进过程中的奇异位形，模拟刀盘13的一端和驱动电机12固定连接，另一端和第一推力止推轴承14固定连接，驱动电机12和液压缸同侧，第一推力止推轴承14的内圈伸出端上设有第一摩擦片15，模拟刀盘13和球面支撑16滑动相连，球面支撑16和支撑座17球副相连，支撑座17和底座1相连，液压推进缸11分别与液压机构4和控制机构3相连，驱动电机12和控制机构3相连。

所述的第一推力止推轴承14和模拟刀盘13相连，用来传递模拟刀盘13受到的弯扭耦合，保护驱动电机12的主轴。

所述的支撑座17和底座1的连接可以是固定连接，也可以改为千斤顶支撑连接，可以在千斤顶上设置压力传感器，压力传感器和控制机构相连，进行变约束下力传递特性试验。

所述的模拟刀盘13和球面支撑16之间可以通过滑块和滑轨实现滑动相连，实现模拟刀盘13轴向推进的自由度，球面支撑16和支撑座17为球副连接，可以释放模拟刀盘13在掘进过程中的倾翻自由度。

所述的每支液压推进缸11的最大推力为100KN，工作压力为5～15MPa，行程为250mm。驱动电机12功率为3KW，基准转速1000rpm，额定转矩28Nm，恒转矩范围为30～1000r/min。第一摩擦片15的直径是500mm，摩擦系数为0.5。模拟刀盘13的直径为700mm，厚度为25mm。

所述的载荷模拟机构6包括：涡轮蜗杆减速机18、第二后靠19、第二推力止推轴承20、载荷模拟加载器21、第二摩擦片22和两个液压加载缸23，其中：第二后靠19固定在底座1上，第二后靠19的一端和涡轮蜗杆减速机18固定相连，另一端和第二推力止推轴承20固定相连，载荷模拟加载器21的一端和第二推力止推轴承20的内圈伸出端相连，另一端上设有第二摩擦片22，液压加载缸23和液压机构4相连，液压加载缸23两端分别和载荷模拟加载器21的两端相连。

所述的液压加载缸23靠近第二推力止推轴承20的一端和载荷模拟加载缸21转动副相连，液压加载缸23靠近第二摩擦片22的一端和载荷模拟加载缸球副21相连，液压加载缸23的加载弯矩范围为0～10000Nm。

所述的第一后靠10和第二后靠19分别设于底座1的两端，底座1、导轨7、第一后靠10和第二后靠19形成了一个闭环的固定支撑。

所述的第二推力止推轴承20设置于涡轮蜗杆减速机18和载荷模拟加载器21之间，承受盾模拟机构5带来的反作用力，保护涡轮蜗杆减速机18的主轴。

所述的涡轮蜗杆减速机18可以带动载荷模拟加载器21转动，控制模拟载荷的方向。涡轮蜗杆减速机18的角度变化范围为0～180°，最大减速比为900∶1。第二摩擦片22的直径是400mm，摩擦系数为0.4。两个推力止推轴承的直径为400mm，厚度为90mm。

所述的液压机构4的工作压力为20MPa，流量为40L/min。

所述的液压机构4包括：液压马达、油箱和比例溢流阀，其中：液压马达和油箱相连，为整个液压机构4供油，比例溢流阀和控制机构相连，接受控制机构的输入的控制信号。比例溢流阀至少六个，两个和液压加载缸23相连以实现可变弯矩的加载，四个和四组液压推进缸11相连(本实施例中将16个液压推进缸11分为四组，每组四个)以控制各个液压推进缸11的油压。

如图2所示，控制机构3包括：控制台24和压力传感器25，其中：压力传感器25分别与液压推进缸11和控制台24相连以传输压力信号，控制台24分别与比例溢流阀、液压马达和驱动电机12相连传输运动控制信号。

以典型的地质条件为60％软土，液压推进缸11分四组的掘进过程为例：根据切削土壤中60％为软土组织的地质条件，计算出需要加载的弯矩以及加载角度，利用载荷模拟机构6对第二摩擦片22进行加载。设定液压机构4的工作压力，以及分别设定四个比例溢流阀压力(即四组液压推进缸11的压力)；通过计算模拟掘进切削力，确定驱动电机12的转矩，调整其转速。试验过程中，通过液压机构4来控制液压推进缸11的推进压力变化和液压加载缸23的压力变化；在推进过程中，可通过控制机构来监测驱动电机12的转矩、转速和液压推进缸11的压力变化。通过得到参数，与仿真实验结果进行对比，研究盾构掘进机在不同掘进过程中的力传递特性。

实施例2

本实施例其他实施方式和实施例1相同，地质条件为60％软土，液压推进缸11分五组的掘进过程仅需将液压机构4中液压油充分卸油，通过改变液压推进缸11与液压机构4之间的快速油路接头连接，将其分组改为五组，继而重复实施例1的步骤，进行试验。

实施例3

本实施例其他实施方式和实施例1相同，地质条件在掘进过程中由60％软土突变为40％软土，以液压推进缸11分四组为例，在平稳推进过程中，可通过调节液压机构4的比例溢流阀来改变液压加载缸23的压力，从而增大弯矩，实现模拟掘进过程中地址条件的突变。

本试验装置可以模拟盾构掘进过程中地质条件不变液压推进缸不同分组的掘进过程、地质条件不变推进缸相同分组的掘进过程、相同地质条件突变不同分组的掘进过程、不同地质条件突变相同分组的掘进过程等；在模拟过程中通过监测系统可自动记录试验过程中各类数据并实时显示相关曲线。

Claims (8)

1.一种掘进机力传递特性试验装置，其特征在于，包括：底座、主顶机构、控制机构、液压机构、盾模拟机构和载荷模拟机构，底座上设有盾模拟机构和载荷模拟机构，主顶机构分别与盾模拟机构和载荷模拟机构相连，控制机构分别与盾模拟机构和液压机构相连，液压机构分别与载荷模拟机构和盾模拟机构相连；

所述的盾模拟机构包括：第一后靠、液压推进缸、驱动电机、模拟刀盘、第一推力止推轴承、第一摩擦片、球面支撑和支撑座，其中：第一后靠固定在底座上，直线轴承和第一后靠垂直固定，液压推进缸分别与第一后靠和模拟刀盘相连，活动销嵌于模拟刀盘的开口中，模拟刀盘的一端和驱动电机固定连接，另一端和第一推力止推轴承固定连接，驱动电机和液压缸同侧，第一推力止推轴承的内圈伸出端上设有第一摩擦片，模拟刀盘和球面支撑滑动相连，球面支撑和支撑座球副相连，支撑座和底座相连，液压推进缸分别与液压机构和控制机构相连，驱动电机和控制机构相连；

所述的载荷模拟机构包括：涡轮蜗杆减速机、第二后靠、第二推力止推轴承、载荷模拟加载器、第二摩擦片和液压加载缸，其中：第二后靠固定在底座上，第二后靠的一端和涡轮蜗杆减速机固定相连，另一端和第二推力止推轴承固定相连，载荷模拟加载器的一端和第二推力止推轴承的内圈伸出端相连，另一端上设有第二摩擦片，液压加载缸分别与液压机构和控制机构相连，液压加载缸的两端分别和载荷模拟加载器的两端相连；

所述的主顶机构包括：导轨、直线轴承和活动销，其中：导轨的端部和直线轴承相连，活动销活动设于导轨上。

2.根据权利要求1所述的掘进机力传递特性试验装置，其特征是，所述的支撑座和底座固定连接或者通过千斤顶支撑连接。

3.根据权利要求1所述的掘进机力传递特性试验装置，其特征是，所述的第一摩擦片的摩擦系数为0.4～0.6。

4.根据权利要求1所述的掘进机力传递特性试验装置，其特征是，所述的液压机构包括：液压马达、油箱和比例溢流阀，其中：液压马达和油箱相连，比例溢流阀和控制机构相连，比例溢流阀分别与液压加载缸和液压推进缸相连。

5.根据权利要求1所述的掘进机力传递特性试验装置，其特征是，所述的控制机构包括：控制台和压力传感器，其中：压力传感器分别与液压推进缸和控制台相连以传输压力信号，控制台分别与比例溢流阀、液压马达和驱动电机相连传输运动控制信号。

6.根据权利要求1所述的掘进机力传递特性试验装置，其特征是，所述的第一后靠和第二后靠分别设于底座的两端，底座、导轨、第一后靠和第二后靠形成了一个闭环的固定支撑。

7.根据权利要求1所述的掘进机力传递特性试验装置，其特征是，所述的第二摩擦片的摩擦系数为0.3～0.6。

8.根据权利要求1所述的掘进机力传递特性试验装置，其特征是，所述的液压加载缸靠近第二推力止推轴承的一端和载荷模拟加载缸转动副相连，液压加载缸靠近第二摩擦片的一端和载荷模拟加载缸球副相连，液压加载缸的加载弯矩范围为0～10000Nm。

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