CN102841030B - 用于隧道掘进机刀具破岩机理模态研究的试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于隧道掘进机刀具破岩机理模态研究的试验平台，其特征在于：包括台架、框架、伺服电机、液压油缸、减速机、下落架、旋转架、刀架、刀具、夹具、岩箱；其中，框架固定在台架上，伺服电机、减速机、液压油缸固定在框架内；伺服电机连接减速机，减速机连接旋转架，减速机由伺服电机驱动，旋转架通过伺服电机由减速机驱动；液压油缸连接下落架，下落架由液压油缸驱动，下落架与导向柱连接；刀架安装在旋转架上，刀具安装在刀架上的夹具上，岩箱固定在台架上并置于刀具下方；所述试验平台采用PC机控制。本发明的试验平台能为隧道掘进机刀盘刀具的数字化设计提供理论依据。该试验平台结构简单，操作方便。

Description

用于隧道掘进机刀具破岩机理模态研究的试验平台

技术领域

本发明涉及一种试验平台，尤其涉及一种全断面隧道掘进机(含TBM及盾构)刀盘刀具系统破岩机理研究的试验平台。

背景技术

全断面隧道掘进机作为地下工程的重要施工装备与地质的适应性息息相关，隧道工程的安全与快速施工依赖于刀盘刀具系统的整体高效破岩，实践中，对从刀盘刀具的工作原理、岩体的破裂形式、岩体破碎后的运动方式等方面对刀盘刀具的整体高效破岩机理缺乏深入研究，由于缺乏理论指导，造成刀盘刀具设计的不合理，造成实践中刀盘刀具的非正常磨损，造成地表坍塌和房屋开裂等系列事故，造成人力物力资源的浪费。

发明内容

本发明的试验平台能通过更换不同形式的刀具，形成不同刀具组合的破岩模态试验平台，从刀盘刀具的工作原理、岩体的破裂形式、岩体破碎后的运动方式等方面对刀盘刀具的整体高效破岩机理进行深入研究，将解决刀盘刀具与围岩耦合作用规律及破岩机理的科学问题，为隧道掘进机刀盘刀具的数字化设计提供关键理论依据与技术保障。该试验平台结构简单，操作方便。

本发明的试验平台通过以下技术方案实现：

一种用于隧道掘进机刀具破岩机理模态研究的试验平台，包括台架、框架、伺服电机、液压油缸、减速机、下落架、旋转架、刀架、刀具、夹具、岩箱；其中，框架固定在台架上，伺服电机、减速机、液压油缸固定在框架内；伺服电机连接减速机，减速机连接旋转架，减速机由伺服电机驱动，旋转架通过伺服电机由减速机驱动；液压油缸连接下落架，下落架由液压油缸驱动，下落架与导向柱连接；刀架安装在旋转架上，刀具安装在刀架上的夹具上，岩箱固定在台架上并置于刀具下方；所述试验平台采用PC机控制。

其中，所述刀架通过螺栓安装在旋转架上，所述刀具通过螺栓安装在刀架上的夹具上。

其中，所述岩箱通过螺栓与台架固定连接。

其中，所述台架为桁架式龙门。

其中，所述下落架与导向柱之间安装有无油轴承。

其中，所述液压油缸的驱动采用比例换向阀控制。

其中，所述液压油缸安装有分流阀。

其中，所述液压油缸的数量为四个且呈菱形分布。

其中，所述框架和/或台架为矩形和/或方形。

下落架的上升下落工作通过控制，可以分工进和快进两种模式；刀架的旋转半径可以调节，旋转架的转速可以调节，转速变速范围为0-7.1r/min，可以准确模拟刀具在工进过程中各种速度。

所述试验平台可以采用电液伺服装置和变频伺服电动马达作为动力源，试验刀具采用隧道掘进机实际施工中的通用滚刀模拟隧道掘进机纯掘进刀盘掘进力矩及推进力，进行硬岩滚刀破岩模态试验，或通过更换成软土切刀进行切刀剪切模态试验，或通过更换成撕裂刀进行撕裂刀冲击破岩模态试验。通过更换台架上的刀座和刀具和调整刀间距，实现隧道掘进机硬岩掘进滚刀滚压破岩原理台架试验、软土掘进切刀剪切切削原理及撕裂刀冲击破岩原理台架试验，为隧道掘进机的破岩基础理论研究提供试验装置，有利于建立具有地质适应性的刀盘刀具设计理论，为刀盘刀具数字化设计提供理论依据。

通过所述试验平台，可以实现如下试验：

1、岩土可掘性实验：在岩样不定的情况下，刀盘转速一定，正压力负载线性增加，若刀具压入岩的最大侵深能满足预定侵深(一般预定侵深为2.5mm)，则岩土可掘。

2、刀架正推力实验：在岩样一定情况下，刀架转速在预定转速下，得到正推力与刀具压入岩石侵深的关系。

3、刀架扭矩实验：在岩样一定，正推力为预定刀具压入岩土侵深推力情况下，得到刀架扭矩与转速的关系。

4、岩石破岩角(或软土剪切角)实验：在岩样一定，测定岩石破坏破岩角(软土破坏剪切角)。

5、合理刀间距实验：根据测定岩石破坏破岩角(软土破坏剪切角)，进行合理刀间距验证实验。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

其中：1：伺服电机；2：液压油缸；3：减速机；4：框架；5：下落架；

6：旋转架；7：刀架；8：刀具；9：岩箱；10、导向柱；11、台架。

具体实施方式

下面结合本发明实施实例做详细说明：本实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过程，但本发明的保护范围不限于下述实例。

实施例1：

一种用于隧道掘进机刀具破岩机理模态研究的试验平台，包括台架、框架、伺服电机、液压油缸、减速机、下落架、旋转架、刀架、刀具、夹具、岩箱；其中，框架固定在台架上，伺服电机、减速机、液压油缸固定在框架内；伺服电机连接减速机，减速机连接旋转架，减速机由伺服电机驱动，旋转架通过伺服电机由减速机驱动；旋转架旋转采用伺服电机通过行星减速机驱动，转速变速范围为0-7.1r/min，刀架旋转半径可调，这样可以准确模拟刀具在工进过程中各种速度；液压油缸连接下落架，下落架由液压油缸驱动，液压油缸的驱动采用比例换向阀控制，在下落架下落及上升过程中，运动同步、受力均匀；液压油缸安装有分流阀，液压油缸的数量为四个且呈菱形分布；下落架与导向柱连接；下落架与导向柱之间安装有无油轴承；刀架通过螺栓安装在旋转架上，刀具通过螺栓安装在刀架上的夹具上，夹具为万能夹具；岩箱固定在台架上并置于刀具下方；台架为桁架式龙门，所述试验平台采用PC机控制；框架和台架均用高强度矩形管焊接而成，确保框架和台架在试验过程中的强度、刚度和稳定性，满足变形量小的要求；岩箱采用矩形管焊接而成，岩样固定在岩箱中，岩箱采用高强度螺栓与台架总体刚接。

实施步骤：

假设有以下隧道掘进机施工要求：

1、隧道掘进机掘进的边界工况为花岗岩；

2、刀具采用标准滚刀，轴承最大能承载的正压力为25吨；

3、采用三刀试验。

一、试验准备

1、检查试验平台各个连接螺栓是否松动和各个控制系统工作是否正常，如有异常可进行适当处理。确定总电源处于关闭状态。

2、取花岗岩样本：长1100mm，宽1100mm，高500mm，用混凝土把岩石固定到岩箱内。

3、把刀具固定到刀架上，记录下刀架在旋转架上的位置，以确定刀具在旋转架上的径向距离。初步调定三把刀中心与旋转架中心的距离分别为500mm，400mm，300mm。

4、打开总电源，确定液压系统溢流阀处于全开状态。启动上位机、液压泵站和旋转电机。确定上位机上各个检测系统处于正常工作状态。

二、实验

1、岩石可掘性实验

1)采用下落架快进模式，使下落架快速接触到花岗岩表面；

2)采用下落架工进模式，设定旋转架转速为1r/min，设定下落架工作推力75T；

3)逐步使下落架继续缓慢向下运动，油缸系统压力逐渐增大(若压力大于设定下落架推力75T，则试验平台自动停止工作)，观察液压系统压力及刀具压入花岗岩的侵深，如花岗岩的侵入度大于预定侵深(查阅相关文献一般预定侵深为2.5mm)，则说明花岗岩可掘性满足。

4)关闭试验平台电源，完成岩石可掘性实验。

若岩石可掘性满足，做如下实验：

2、刀架正推力实验：刀架扭矩实验：岩石破岩角(软土剪切角)实验：

1)设定旋转架转速为1r/min，设定下落架工作推力75T；

2)逐步使下落架继续缓慢向下运动，油缸系统压力逐渐增大，观察液压系统压力及刀具压入花岗岩的侵深，测出正压力与刀具侵深之间关系，从而指导隧道掘进机推进力参数设计。

3、把转速调为0r/min，直到每把刀正压力达到25吨，逐步调整转速，得到转速与扭矩之间关系。最终可以知道旋转架在达到预定侵深时不同转速的扭矩，进而可以指导隧道掘进机刀盘的驱动动力装置设计。

4、测出花岗岩的破岩角度。

5、根据测量出的破岩角度合理布置刀具在旋转架上径向的相对距离。进而指导隧道掘进机刀间距设计。

根据实验结果，得到的启示：

1、可以合理的预算本段地质结构是否满足工程掘进需求。

2、指导隧道掘进机的推进动力装置和旋转动力装置设计。

3、合理布置刀盘上的刀间距。

本实例表明该试验平台能很好实现隧道掘进机刀具破岩模态试验，为隧道掘进机刀盘刀具数字化设计提供理论依据。

Claims (9)

1.一种用于隧道掘进机刀具破岩机理模态研究的试验平台，其特征在于：包括台架、框架、伺服电机、液压油缸、减速机、下落架、旋转架、刀架、刀具、夹具、岩箱；其中，框架固定在台架上，伺服电机、减速机、液压油缸固定在框架内；伺服电机连接减速机，减速机连接旋转架，减速机由伺服电机驱动，旋转架通过伺服电机由减速机驱动；液压油缸连接下落架，下落架由液压油缸驱动，下落架与导向柱连接；刀架安装在旋转架上，刀具安装在刀架上的夹具上，岩箱固定在台架上并置于刀具下方；所述试验平台采用PC机控制，下落架的上升下落工作通过控制，可以分工进和快进两种模式；刀架的旋转半径可以调节，旋转架的转速可以调节，转速变速范围为0—7.1r/min，可以准确模拟刀具在工进过程中各种速度。

2.根据权利要求1所述的试验平台，其特征在于：所述刀架通过螺栓安装在旋转架上，所述刀具通过螺栓安装在刀架上的夹具上。

3.根据权利要求1所述的试验平台，其特征在于：所述岩箱通过螺栓与台架固定连接。

4.根据权利要求1所述的试验平台，其特征在于：所述台架为桁架式龙门。

5.根据权利要求1所述的试验平台，其特征在于：所述下落架与导向柱之间安装有无油轴承。

6.根据权利要求1所述的试验平台，其特征在于：所述液压油缸的驱动采用比例换向阀控制。

7.根据权利要求1所述的试验平台，其特征在于：所述液压油缸安装有分流阀。

8.根据权利要求7所述的试验平台，其特征在于：所述液压油缸的数量为四个且呈菱形分布。

9.根据权利要求1至8任一所述的试验平台，其特征在于：所述框架和／或台架为矩形和／或方形。