CN102788693A - 盾构及tbm滚刀试验台 - Google Patents

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赵华
李普庆
宁向可
卓兴建
肖俊祥
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Abstract

本发明公开了一种盾构及TBM滚刀试验台，包括试验台主机和对称布置的支座，所述试验台主机与所述支座转动连接，转动角度至少为90°，以便所述试验台主机能够在垂直状态和水平状态之间转换。由于试验台主机与所述支座转动连接，且至少可以转动90°，所以试验台主机能够在垂直状态或水平状态下模拟滚刀的实际运动情况，从而对不同工作状态下滚刀的切削特性进行研究，并在此基础上对滚刀进行改进，以便延长滚刀的使用寿命。

Description

盾构及TBM滚刀试验台
技术领域
本发明涉及滚刀试验台，特别是涉及一种盾构及TBM滚刀试验台。
背景技术
滚刀是盾构（盾构隧道掘进机）或TBM（Tunnel Boring Machine，隧道掘进机）上切削破碎岩石的主要刀具，其破岩机理为跃进时冲击压碎岩石以及压下后剪切碾碎破岩。在不同的地质条件和不同的工作参数下掘进时，滚刀的磨损失效情况各不相同。由于刀具的失效，在掘进过程中需要更换刀具，但更换刀具不仅工作量大而且存在危险，所以有必要对滚刀，特别是多把滚刀组合切割破碎岩土时刀具的载荷特性及岩土的破碎效果进行分析，以便对滚刀的结构及工作参数进行相应改进，延长滚刀的使用寿命。
需要指出的是盾构和TBM均指隧道掘进机，一般来说盾构是指适用于软岩的隧道掘进机，TBM是指适用于硬岩的隧道掘进机。
目前，国内外已有的滚刀试验台，基本采用单把滚刀直线切割系统；也有的滚刀试验台可以安装多把滚刀，模拟盾构及TBM滚刀的回转运动。但是在实际作业中，滚刀根据需要可能存在垂直作业或水平作业的状况，目前的滚刀试验台均模拟的是垂直状态下滚刀的运动情况，无法对水平状态下滚刀的切削特性进行研究。
因此，如何设计出一种滚刀试验台，能够模拟盾构及TBM滚刀在不同工作状态下切削岩土的状况，从而研究滚刀的破岩效率和磨损机理，以提高滚刀的使用寿命，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种盾构及TBM滚刀试验台，该滚刀试验台能够模拟不同工作状态下滚刀切削岩土的状况，从而研究滚刀的破岩效率和磨损机理，进而延长滚刀的使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明提供一种盾构及TBM滚刀试验台，包括试验台主机和对称布置的支座，所述试验台主机与所述支座转动连接，转动角度至少为90°，以便所述试验台主机能够在垂直状态和水平状态之间转换。
优选地，所述试验台主机包括动力传动装置和与所述动力传动装置连接的刀盘；所述动力传动装置固装在移动支架上，所述移动支架插装在固定支架内，且能够沿所述固定支架的轴向移动，所述固定支架与所述支座转动连接。
优选地，所述动力传动装置包括驱动马达和设于驱动箱内的齿轮和主轴承；所述驱动马达通过减速机与所述齿轮传动连接，所述齿轮与所述主轴承啮合，所述刀盘与所述主轴承固定连接；所述驱动箱与所述移动支架的内壁固定连接。
优选地，所述主轴承为三排滚柱轴承。
优选地，所述刀盘上设有具有滑槽的刀梁，安装滚刀的刀箱与所述刀梁的滑槽滑动配合，所述刀箱和所述刀梁之间设有可拆卸的定位件。
优选地，所述滚刀为双刃滚刀和单刃滚刀，所述双刃滚刀设置在所述刀盘的中心，所述单刃滚刀设置在所述双刃滚刀的周围。
优选地，所述移动支架上设有导向键，所述固定支架上设有与所述导向键配合的键槽。
优选地，所述固定支架通过销轴支撑在所述支座上，所述固定支架和所述支座之间设有翻转油缸。
优选地，所述移动支架通过推动油缸与所述固定支架移动连接。
优选地，所述试验台主机的下方设有皮带机，以便所述试验台主机处于水平状态时清理岩石渣。
相对上述背景技术，本发明所提供的盾构及TBM滚刀试验台包括试验台主机和对称布置的支座，所述试验台主机与所述支座转动连接，转动角度至少为90°，以便所述试验台主机能够在垂直状态和水平状态之间转换。由于试验台主机与所述支座转动连接，且至少可以转动90°，所以试验台主机能够在垂直状态或水平状态下模拟滚刀的实际运动情况，从而对不同工作状态下滚刀的切削特性进行研究，并在此基础上对滚刀进行改进，以便延长滚刀的使用寿命。
在一种优选的实施方式中，本发明所提供的盾构及TBM滚刀试验台通过动力传动装置驱动刀盘旋转，从而带动安装在刀盘上的多把滚刀做回转运动，与盾构及TBM刀盘上滚刀破岩的实际工况接近，为研究滚刀的破岩效率和磨损机理提供依据。
在另一种优选的实施方式中，本发明所提供的盾构及TBM滚刀试验台的刀箱能够沿刀盘的刀梁滑动，即可以实现滚刀刀间距的调整，为研究不同刀间距对滚刀破岩性能的影响提供依据。
附图说明
图1为本发明所提供盾构及TBM滚刀试验台垂直状态时的结构示意图；
图2为图1中H部位的局部放大图；
图3为本发明所提供盾构及TBM滚刀试验台水平状态时的结构示意图；
图4为本发明所提供盾构及TBM滚刀试验台切削装置的结构示意图；
图5为图4所示切削装置的A-A向示意图；
图6为图5所示切削装置的B-B向示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种盾构及TBM滚刀试验台，该滚刀试验台能够模拟不同工作状态下滚刀切削岩土的状况，从而研究滚刀的破岩效率和磨损机理，进而延长滚刀的使用寿命。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1至图6，图1为本发明所提供盾构及TBM滚刀试验台垂直状态时的结构示意图；图2为图1中H部位的局部放大图；图3为本发明所提供盾构及TBM滚刀试验台水平状态时的结构示意图；图4为本发明所提供盾构及TBM滚刀试验台切削装置的结构示意图；图5为图4所示切削装置的A-A向示意图；图6为图5所示切削装置的B-B向示意图。
在一种具体实施方式中，本发明所提供的盾构及TBM滚刀试验台包括试验台主机和对称布置的支座5，支座5固定在地面上。
所述试验台主机包括动力传动装置1和与动力传动装置1连接的切削装置2。
动力传动装置1包括驱动箱11，驱动箱11固装在移动支架3的内壁，具体地，可以通过焊接的方式或螺栓连接的方式将驱动箱11与移动支架3固定连接；移动支架3插装在固定支架4内，移动支架3具有管状结构，其端部设有凸缘部，凸缘部与固定支架4之间设有推进油缸6，通过推进油缸6的伸缩来实现移动支架3相对固定支架4的移动。优选地，推进油缸6的个数为四个，当然也可以根据需要来设置其数量。
驱动箱11内安装有主轴承12和齿轮13，主轴承12上设有齿圈，并与齿轮13啮合；驱动马达15通过减速机14与齿轮13传动连接。
具体地，驱动马达15可以为液压马达；主轴承12可以为三排滚柱轴承，该轴承为盾构或TBM所用轴承，能够得到更精确的试验结果。
切削装置2包括刀盘21、刀箱22和滚刀23；刀盘21与主轴承12固定连接，可以通过螺栓连接的方式固接；刀盘21上设有刀梁211，刀梁211具有滑槽；滚刀23安装在刀箱22内，刀箱22与刀梁211的滑槽配合，能够沿着刀梁211的滑槽滑动；刀梁211和刀箱22之间还设有可拆卸的定位件，以便限定刀箱22和刀梁211的相对位置，该定位件可以为紧定螺栓24。
具体地，刀盘21可以是直径为2500mm的硬岩刀盘；滚刀23可以为双刃滚刀231和单刃滚刀232。该刀盘21可以安装至多三把双刃滚刀231和八把单刃滚刀232（示于图3中）；其中三把双刃滚刀231布置在同一刀箱22内，位于刀盘21的中心位置，单刃滚刀232布置在双刃滚刀231的周围。由于刀箱22能够沿着刀梁211滑动，所以可以调节各个滚刀23之间的刀间距。需要指出的是，由于双刃滚刀231布置在同一刀箱22内，所以调整刀间距时，双刃滚刀231之间的距离不变，改变的是其与周围单刃滚刀232之间的距离。具体地，当需要调节滚刀23刀间距时，可以拆卸紧定螺栓24，当刀箱22带动滚刀23沿刀梁211滑动到所需位置后，再安装紧定螺栓24以固定刀箱22和刀梁211之间的相对位置。
这里需要说明的是，上述刀盘21的直径、滚刀23的安装个数和位置以及种类均可以根据实际所需进行调整，并不局限于上述所述值。
工作时，驱动马达15通过减速机14带动齿轮13旋转，由于齿轮13与主轴承12啮合，刀盘21固定在主轴承12上，从而带动刀盘21旋转，进而带动安装在刀盘21上的滚刀23回转运行，与盾构或TBM刀盘上滚刀破岩实际工况接近。
固定支架4通过销轴7支撑在对称布置的支座5上，即试验台主机通过固定支架4支撑在支座5上。固定支架4和支座5之间设有翻转油缸8，通过翻转油缸8的伸缩可以实现固定支架4相对支座5的转动，转动角度至少为90°，以保证试验台主机可以在垂直状态和水平状态之间转换。具体地，当翻转油缸8处于伸出状态时，试验台主机处于垂直状态，当翻转油缸8处于缩回状态时，试验台主机处于水平状态。当然，在实际设置中，也可以通过其他的方式来实现固定支架4和支座5之间的转动，只要可以保证固定支架4通过转动能够带动试验台主机在水平状态和垂直状态之间转换即可。
固定支架4的端部还固接有模拟岩土箱9，可以通过螺栓固定。模拟岩土箱9和刀盘21位置对应；当试验台主机处于垂直状态时，模拟岩土箱9位于刀盘21的下方，如图1所示；当实验台主机处于水平状态时，模拟岩土箱9位于刀盘21的左侧，如图2所示。
工作中需要测试垂直状态下滚刀的切削性能时，使翻转油缸8处于伸出状态，保证试验台主机处于垂直状态，如图1所示。驱动马达15通过减速机14带动齿轮13旋转，齿轮13与主轴承12啮合带动刀盘21旋转，从而带动安装在刀盘21上的滚刀23转动，同时随着推进油缸6的收缩，带动刀盘21向下运动靠近模拟岩土箱9，当刀盘21上的滚刀23接触到模拟岩土箱9内的岩石时进行破岩作业。
工作中需要测试水平状态下滚刀的切削性能时，使翻转油缸8处于缩回状态，即可实现试验台主机的水平翻转，使试验台主机处于水平状态，如图2所示。驱动马达15通过减速机14带动齿轮13旋转，齿轮13与主轴承12啮合带动刀盘21旋转，从而带动安装在刀盘21上的滚刀23转动，同时随着推进油缸6的收缩，带动刀盘21向左运动靠近模拟岩土箱9，当刀盘21上的滚刀23接触到模拟岩土箱9内的岩石时进行破岩作业。
在工作中，可以根据测验需求设置刀盘21上滚刀23的数量、种类以及刀间距，测试不同条件下滚刀的破岩性能。
进一步地，还可以对上述盾构及TBM滚刀试验台作出改进。
由于工作时刀盘21转动会对与其连接的移动支架3产生反转扭矩，在移动支架3的周围设置有四个导向键，对应地，在固定支架4的相应部位设有与导向键配合的键槽，工作时通过导向键与键槽的配合，不仅可以使移动支架3承受刀盘21旋转的反转扭矩，还可以对移动支架3的移动起到导向作用。当然，也可以将导向键设置在固定支架4上，对应地在移动支架3上设置相应地键槽，导向键和键槽的个数也可根据实际需求来确定。
进一步地，当试验机主机处于垂直状态时，测试中产生的切削岩渣呈辐射状散落在试验台的四周，可以通过人工进行清理。但是，当试验机主机处于水平状态时，测试中产生的切削岩渣会落在试验台的下方，不便清理，所以可以在试验台的下方设置皮带机10，通过皮带机10清理试验台水平状态试验时的岩渣。需要指出的是，皮带机10可以采用与盾构或TBM相同设计的皮带机，在此基础上，还可以验证不同带速、皮带机倾角对出渣能力的影响，这里的皮带机倾角是指皮带机与水平面的夹角。
这里需要说明的是，上述下、左、中心等方位词是图1至图5中零部件位于图中及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表述技术方案的清楚及方便。应当理解，本文所采用的方位词不应限制本申请请求的保护范围。
本发明所提供的盾构及TBM滚刀试验台的试验台主机与支座转动连接，可以使试验台主机处于垂直状态和水平状态两种状态，进而可以模拟两种状态下滚刀的破岩性能。由于刀盘的结构设计使得滚刀刀间距可调，所以还可进一步地测试不同滚刀刀间距对滚刀破岩性能的影响。此外，由于试验机水平状态下设置有皮带机，还可以验证皮带转速、皮带机倾角对出渣能力的影响。与现有技术相比，本发明提供的盾构及TBM滚刀试验台可以在不同状态下测试不同参数对滚刀破岩性能的影响，从而研究滚刀的破岩机理，以便延长滚刀的使用寿命。
需要指出的是，本文所述盾构是指适用于软岩的隧道掘进机，TBM是指适用于硬岩的隧道掘进机。
以上对本发明所提供的盾构及TBM滚刀试验台进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种盾构及TBM滚刀试验台，包括试验台主机和对称布置的支座，其特征在于，所述试验台主机与所述支座转动连接，转动角度至少为90°，以便所述试验台主机能够在垂直状态和水平状态之间转换。
2.如权利要求1所述的盾构及TBM滚刀试验台，其特征在于，所述试验台主机包括动力传动装置和与所述动力传动装置连接的刀盘；所述动力传动装置固装在移动支架上，所述移动支架插装在固定支架内，且能够沿所述固定支架的轴向移动，所述固定支架与所述支座转动连接。
3.如权利要求2所述的盾构及TBM滚刀试验台，其特征在于，所述动力传动装置包括驱动马达和设于驱动箱内的齿轮和主轴承；所述驱动马达通过减速机与所述齿轮传动连接，所述齿轮与所述主轴承啮合，所述刀盘与所述主轴承固定连接；所述驱动箱与所述移动支架的内壁固定连接。
4.如权利要求3所述的盾构及TBM滚刀试验台，其特征在于，所述主轴承为三排滚柱轴承。
5.如权利要求2所述的盾构及TBM滚刀试验台，其特征在于，所述刀盘上设有具有滑槽的刀梁，安装滚刀的刀箱与所述刀梁的滑槽滑动配合，所述刀箱和所述刀梁之间设有可拆卸的定位件。
6.如权利要求5所述的盾构及TBM滚刀试验台，其特征在于，所述滚刀为双刃滚刀和单刃滚刀，所述双刃滚刀设置在所述刀盘的中心，所述单刃滚刀设置在所述双刃滚刀的周围。
7.如权利要求2所述的盾构及TBM滚刀试验台，其特征在于，所述移动支架上设有导向键，所述固定支架上设有与所述导向键配合的键槽。
8.如权利要求2至7任一项所述的盾构及TBM滚刀试验台，其特征在于，所述固定支架通过销轴支撑在所述支座上，所述固定支架和所述支座之间设有翻转油缸。
9.如权利要求2至7任一项所述的盾构及TBM滚刀试验台，其特征在于，所述移动支架通过推动油缸与所述固定支架移动连接。
10.如权利要求1至7任一项所述的盾构及TBM滚刀试验台，其特征在于，所述试验台主机的下方设有皮带机，以便所述试验台主机处于水平状态时清理岩石渣。
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