CN103575522B - 隧道全断面掘进机刀盘模拟加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道全断面掘进机刀盘模拟加载装置。装在刀盘中心的刀盘输出轴通过第一联轴器与增速器输入轴连接，增速器输出轴通过第二联轴器与负载泵输入轴连接，负载泵的出口接比例溢流阀，比例溢流阀出口接油箱；增速器与增速器安装板上端面连接，负载泵与负载泵安装支架连接，负载泵安装支架与增速器安装板上端面连接，增速器安装板下底面与一对导轨的滑块连接，导轨安装在盾体支护装置上，刀盘支撑在盾体的端面。刀盘输出轴通过增速器与负载泵连接，实现极大扭矩（≥160KN.m）的加载；通过调节比例溢流阀的工作压力或负载泵的排量，可以得到期望的负载特性，模拟实际TBM掘进载荷；整套模拟加载装置安装在导轨上跟随刀盘移动。

Description

隧道全断面掘进机刀盘模拟加载装置

技术领域

本发明涉及加载装置，尤其是涉及一种隧道全断面掘进机刀盘模拟加载装置。

背景技术

隧道全断面掘进机（Tunnel Boring Machine)，简称TBM，是集机械、电气、液压、测量、控制等多学科技术于一体，专用于地下隧道工程施工的技术密集型工程装备。TBM集掘进、出渣、初期支护、通风除尘于一体，以掘进速度快、施工质量稳定、安全作业条件好、对生态环境影响小的优势，在国内外隧道工程建设中得到广泛应用。

TBM不同于其它工程机械，它具有“量体裁衣”的针对性，需要针对隧道工程的地层地质及其它要求进行设计制造，适应性的设计方法和技术在盾构的发展中显得格外重要。因为隧道岩土工程的复杂性和现有数学计算的局限性，物理模拟试验成了盾构设计和关键技术进步的基础。

TBM在施工过程中，经常出现由于围岩的快速收缩变形，导致TBM被困的情形。若处理方法不得当，解困不及时，TBM机身在长期受力的情况下，必然会变形、受损，从而造成重大经济损失，也会给以后的工作带来巨大的困难。因此，在TBM实验台的建造过程中，必须开展TBM刀盘驱动以及脱困的研究。为了真实地模拟TBM掘进实际工况，必须设计TBM实验台刀盘反扭矩加载系统。该装置必须能够对低速旋转的刀盘（1-8r/min）施加极大反扭矩（≥160KN.m）,并且能够跟随刀盘一起移动。

经过对现有技术的文献检索发现，目前在旋转运动中采用的扭矩加载方式主要有以下几种：机械式扭矩加载器，磁粉制动加载器，电液式加载器。机械式扭矩加载器结构简单，但不能实现连续变化的载荷谱；磁粉制动加载器根据电磁学原理制造，加载平稳、无噪音，但加载精度不高，不能实现正反向快速加载；电液式加载器可以实现扭矩连续加载，输出负载力矩大，但成本较高，且由于加载对象的主动运动，对加载系统造成较强的位置干扰。

中国专利文件ZL200910083688提出一种液压泵扭矩加载系统，该系统为液压泵出口处的比例溢流阀提供一路控制油源，能够为低转速或者零转速的液压泵进行扭矩加载。但是该系统不能为大功率的TBM实验台实现加载，根据该专利中提供的公式：

其中w是被加载旋转机构也是负载泵的转速，η是机械传动效率，q为液压泵的排量，P是液压泵出口压力，N是加载扭矩。当被加载旋转机构直接与负载泵连接时，所添加的扭矩负载不能满足TBM实验台的要求。中国专利文件ZL200810106139设计了一种用于盾构掘进模拟的扭矩和力加载装置，该装置采用机械加载的方式，能够施加的扭矩较小，并且不能满足TBM刀盘移动这一要求。

综上所述目前还没有一种专门用于TBM实验台的刀盘反扭矩加载装置，现有的扭矩加载装置或者施加的反扭矩较小，或者不能够跟随TBM刀盘移动，因而无法得到期望的负载特性，不能模拟实际TBM掘进载荷。

发明内容

本发明的目的在于提出一种隧道全断面掘进机刀盘模拟加载装置，刀盘输出轴通过增速器与负载泵连接，因而可以实现极大扭矩的加载；通过调节比例溢流阀的工作压力或负载泵的排量，可以得到期望的负载特性，模拟实际TBM掘进载荷；整套扭矩加载装置安装在导轨上，因而可以跟随刀盘移动。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括刀盘输出轴、第一联轴器、增速器、第二联轴器、比例溢流阀、负载泵安装支架、负载泵、增速器安装板、一对导轨和盾体支护装置；装在刀盘中心的刀盘输出轴通过第一联轴器与增速器输入轴连接，增速器输出轴通过第二联轴器与负载泵输入轴连接，负载泵的出口接比例溢流阀，比例溢流阀出口接油箱；增速器与增速器安装板上端面连接，负载泵与负载泵安装支架连接，负载泵安装支架与增速器安装板上端面连接，增速器安装板下底面与一对导轨的滑块连接，导轨安装在盾体支护装置上，刀盘支撑在盾体的端面。

所述第一联轴器为十字轴式万向联轴器；第二联轴器为刚性联轴器。

所述一对导轨为直线导轨或弧形导轨。

所述负载泵为变量泵。

本发明具有的有益效果是：

刀盘输出轴通过增速器与负载泵连接，因而可以实现极大扭矩（≥160KN.m）的加载；通过调节比例溢流阀的工作压力或负载泵的排量，可以得到期望的负载特性，模拟实际TBM掘进载荷；整套模拟加载装置安装在导轨上，因而可以跟随刀盘移动。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的等轴侧视图。

图中：1、刀盘输出轴，2、第一联轴器，3、增速器，4、第二联轴器，5、负载泵安装支架，6、负载泵，7、盾体支护装置，8、一对导轨，9、增速器安装板，10、刀盘，11、盾体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

如图1、图2所示，本发明包括刀盘输出轴1、第一联轴器2、增速器3、第二联轴器4、比例溢流阀、负载泵安装支架5、负载泵6、增速器安装板9、一对导轨8和盾体支护装置7。装在刀盘10中心的刀盘输出轴1通过第一联轴器2与增速器3输入轴连接，刀盘转速经过增速器3后获得提升，因而可以实现极大扭矩的加载。增速器3输出轴通过第二联轴器4与负载泵6输入轴连接，负载泵6的出口接比例溢流阀，比例溢流阀出口接油箱；增速器3通过螺栓与增速器安装板9上端面连接，负载泵6通过螺栓与负载泵安装支架5连接，负载泵安装支架5通过螺栓与增速器安装板9上端面连接，增速器安装板9下底面通过螺栓与一对导轨8的滑块连接，一对导轨8安装在盾体支护装置7上，刀盘10支撑在盾体11的端面。

所述第一联轴器2为十字轴式万向联轴器，可以在刀盘进行姿态调整时实现扭矩的加载；第二联轴器4为刚性联轴器。

所述一对导轨8为直线导轨或弧形导轨。整套模拟加载装置安装在导轨上，可以在跟随刀盘运动的同时实现扭矩的加载；通过更换不同形式的导轨8，比如直线导轨和弧形导轨，可以分别在TBM直线和曲线掘进模式下实现扭矩的加载。

所述负载泵6为变量泵，通过改变泵的排量，可以改变反扭矩的大小。通过设定溢流阀的工作压力，可以设定施加在TBM刀盘10上的反扭矩；改变溢流阀的工作压力，可以改变反扭矩的大小。

本发明的工作原理如下：

将各个部件按照图1、图2的关系连接后，调定比例溢流阀的工作压力和负载泵5的排量，这样便设定了反扭矩的大小。接下来启动TBM实验台，刀盘输出轴通过增速器带动负载泵。在推进系统的作用下TBM实验台沿着盾体支护装置移动，同时承受加载装置施加的反扭矩。通过调节比例溢流阀的工作压力或负载泵的排量，可以改变反扭矩的大小，从而模拟TBM在不同地形中的掘进工况。

假设TBM刀盘转速为ω₁，作用在TBM刀盘上的扭矩为T，增速器3增速比为n，负载泵5的排量为V，负载泵5的出口压力为p，负载泵5的转速为ω₂，η为机械传动效率，则根据能量传递规律：

T×ω₁×η=ω₂×V×p

$T=\mathrm{pV}\frac{{\mathrm{\ω}}_2}{{\mathrm{\η\ω}}_1}$

由于ω₂＝nω₁，因此由此可知，本发明采用的将TBM刀盘首先连接到增速器3再连接到负载泵5的液压加载方案，相比于将TBM刀盘直接与负载泵连接的方式，负载扭矩可以得到极大的提高。通过调节比例溢流阀的工作压力或负载泵5的排量，可以得到期望的负载特性，模拟实际TBM掘进载荷。

Claims (4)

1.一种隧道全断面掘进机刀盘模拟加载装置，其特征在于：包括刀盘输出轴（1）、第一联轴器（2）、增速器（3）、第二联轴器（4）、比例溢流阀、负载泵安装支架（5）、负载泵（6）、增速器安装板（9）、一对导轨（8）和盾体支护装置（7）；装在刀盘（10）中心的刀盘输出轴（1）通过第一联轴器（2）与增速器（3）输入轴连接，增速器（3）输出轴通过第二联轴器（4）与负载泵（6）输入轴连接，负载泵（6）的出口接比例溢流阀，比例溢流阀出口接油箱；增速器（3）与增速器安装板（9）上端面连接，负载泵（6）与负载泵安装支架（5）连接，负载泵安装支架（5）与增速器安装板（9）上端面连接，增速器安装板（9）下底面与一对导轨（8）的滑块连接，一对导轨（8）安装在盾体支护装置（7）上，刀盘（10）支撑在盾体（11）的端面。

2.根据权利要求1所述的一种隧道全断面掘进机刀盘模拟加载装置，其特征在于：所述第一联轴器为十字轴式万向联轴器；第二联轴器为刚性联轴器。

3.根据权利要求1所述的一种隧道全断面掘进机刀盘模拟加载装置，其特征在于：所述一对导轨（8）为直线导轨或弧形导轨。

4.根据权利要求1所述的一种隧道全断面掘进机刀盘模拟加载装置，其特征在于：所述负载泵（6）为变量泵。