CN104165058B - Tbm掘进地质环境模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TBM掘进地质环境模拟装置。前、后护套相固接同轴放置在地支撑上，姿态部件安装在前护套的外壳面上，姿态板的圆弧面与样机护盾上的球铰相切，姿态油缸两端铰接于姿态板和姿态块，护盾下方经重力安装法兰、轴承、称重传感器连接到水平重力滑轨进行支撑导向，负载模拟泵由中心罩法兰安装在增速器输出端，增速器输入端经联轴器与样机刀盘连接，增速器安装架可沿前护套导轨滑动。通过构建闭环的掘进环境，真实模拟了TBM掘进时岩石的扭矩负载和约束作用。利用液压系统作为负载模拟，通过改变压力、流量设定，重复模拟TBM实际掘进时的不同地质条件；推进油缸和推力负载油缸同向安装，相对于油缸对顶布置，有效节约了空间。

Description

TBM掘进地质环境模拟装置

技术领域

本发明涉及模拟装置，尤其是涉及一种TBM掘进地质环境模拟装置。

背景技术

全断面隧道掘进机（TunnelBoringMachine)，简称TBM，是集机械、电气、液压、测量、控制等多学科技术于一体的大型隧洞开挖衬砌成套装备。TBM集隧道施工的开挖、出碴、初期支护、通风除尘、敷设隧道轨线以及风水电延伸于一体，具有快速、优质、安全等优点，是目前国际上最先进的长大隧道施工方式。

TBM结构庞大，系统复杂，成本高昂。由于不同地质条件对刀具的型号、材质以及驱动系统和配套系统的要求不同，单一机型TBM仅适用于少数几种固定的地质条件，施工之前承包商和制造商要花费大量时间针对具体地质环境做出相关的选择。因而尽早明确TBM关键参数和不同地质环境的匹配关系对于TBM施工的发展格外重要。然而隧道施工环境制约了施工数据采集的准确度，现有的理论计算无法兼顾复杂的施工环境，因此开展物理模拟试验是TBM设计和关键技术进步的主要可行方案。

TBM掘进法的特殊性在于，掘进机和掘进对象之间有着复杂的相互作用关系。TBM刀盘系统起着破岩功能，而撑靴系统需要将撑靴撑紧在围岩上提供推进反力并支撑主梁，刀盘四周的围岩还起着支撑刀盘和约束刀盘姿态的作用。因此，开展TBM研究必须考虑施工环境的影响。

由于TBM掘进环境的特殊性，为了模拟不同的地质环境，常规的模拟装置往往采用更换石材的方法。这种方式虽然在数据的精确度上有一定优势，但每次石材的更换都需要对应的更换刀具，刀具和石材的损耗成本较大；而且现有的模拟装置大多仅能模拟TBM刀盘系统与岩石的相互作用，无法兼顾整机的撑紧、推进、换步、调姿系统，更无法模拟隧道围岩对TBM的调姿约束作用。

经过对现有技术的文献检索发现，目前还没有一种适用于TBM掘进地质环境模拟的装置。

发明内容

本发明的目的在于提出一种TBM掘进地质环境模拟装置，整个装置由前后护套连接组成，前护套通过上、左、右三个方向上的姿态部件对护盾实现柔性约束，护盾下方经可实现一定角度偏转的推力关节轴承和称重传感器连接到水平重力导轨副，保证刀盘可轴向掘进和各方向上调姿。负载模拟泵和推力负载油缸的组合模拟掘进负载，撑靴撑紧在可替换材质的撑靴垫材，通过替换垫材和改变负载泵、推力负载油缸、姿态部件的液压系统压力设定，模拟TBM掘进时遇到的各种不同地质条件。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括负载模拟泵、中心罩、增速器部件、万向联轴器、前护套、结构相同的三个姿态部件、重力支撑水平滑轨部件、连接板、后护套、后护套盖板、撑靴垫材和地支撑；前护套和后护套轴向由连接板固接后，同轴放置在地支撑上，每个姿态部件：均包括两个姿态块，姿态板和两个姿态油缸；两个姿态油缸的缸筒分别与各自的姿态块底部铰接，两个姿态油缸的活塞杆分别与姿态板上端面的两端铰接；三个姿态部件各自的两个姿态块分别安装在前护套上、左和右三个方向的前护套外壳上，三块姿态板的下端圆弧面与样机护盾上的球铰相切，每个姿态油缸穿过前护套上对应的通孔，样机护盾下方经重力安装法兰、推力关节轴承、称重传感器连接到水平重力滑轨；重力支撑水平滑轨部件：包括重力安装法兰、推力关节轴承、称重传感器和水平重力滑轨；水平重力滑轨安装在前护套中心的地面上；增速器部件：包括增速器安装架和同轴安装在其上的增速器；两个前护套导轨分别对称安装在远离后护套的前护套外侧，增速器安装架下面两侧角座与两个前护套导轨构成滑动副，负载模拟泵通过中心罩法兰安装在增速器输出端，增速器输入端经万向联轴器与样机刀盘连接，后护套上对称的装有四个连接推力负载油缸的耳环，四个推力负载油缸活塞杆、缸筒分别铰接于样机护盾和后护套耳环之间，与样机四个推进油缸同向安装，样机撑靴水平撑紧在撑靴垫材与样机撑靴等直径的圆形内表面，撑靴垫材固接在后护套的平面内壁上，样机尾靴向下落在后护套下方弧形内壁，弧形的后护套盖板装在后护套上。

所述六个姿态油缸，四个推进油缸，四个推力负载油缸均配套有压力表和位移传感器，负载模拟泵配有压力表和扭矩传感器，扭矩传感器以法兰形式安装在中心罩内。

所述后护套上安装的撑靴垫材为混凝土、石灰岩或花岗岩。

本发明具有的有益效果是：

本发明利用连接板连接前后护套，并在前护套上安装前护套导轨，与增速器部件构成水平滑动导轨副，将推力负载油缸铰接与护盾与后护套之间，以及撑靴撑紧在与后护套固接的撑靴垫材上，构建出一套闭环的TBM掘进地质环境模拟装置，提供TBM掘进时的推力和扭矩负载。同时TBM掘进时的驱动扭矩反扭矩经样机传递到后护套上，负载模拟反扭矩经前护套上导轨经连接板传递到后护套，实现自闭环反扭矩抵消；TBM掘进时的推进力反力经样机传递到后护套，推力负载反力经推力负载油缸与后护套连接，实现自闭环推力反力抵消；姿态油缸成对分布（竖直方向上有称重传感器），实现自闭环约束力和约束反力抵消；重力支撑块和重力水平导轨仅作为重力支撑。通过构建闭环的掘进环境，真实模拟了实际TBM掘进时岩石的负载和约束作用。利用液压系统作为负载模拟，通过改变压力、流量设定，可以低成本重复模拟TBM实际掘进时的不同地质条件；推进油缸和推力负载油缸同向安装，相对于油缸对顶布置的方式，有效节约了空间。

附图说明

图1是本发明的地质环境模拟装置视图。

图2是本发明中的TBM样机视图。

图3是本发明中重力支撑水平导轨结构视图。

图4是本发明中姿态部件视图重力支撑水平导轨结构视图。

图5是本发明中地质环境模拟装置和TBM样机装配等轴向视图。

图6是与本发明中地质环境模拟装置和TBM样机装配左视图

图中：1、负载模拟泵，2、中心罩，3、增速器部件，4、万向联轴器，5、前护套，6、姿态部件，7、重力支撑水平滑轨部件，8、连接板，9、后护套，10、后护套盖板，11、撑靴垫材，12、地支撑，13、样机刀盘，14、样机护盾，15、推进油缸，16、样机撑靴，17、样机尾靴，18、推力负载油缸，91、推力负载油缸安装耳环，31、增速器安装架，32、增速器，51、前护套导轨，61、姿态块，62、姿态油缸，63、姿态板，71、水平重力滑轨，72、固定销，73、重力安装法兰，74、推力关节轴承，75、称重传感器，141、护盾球铰。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1～图6所示，本发明包括负载模拟泵1、中心罩2、增速器部件3、万向联轴器4、前护套5、结构相同的三个姿态部件\6、重力支撑水平滑轨部件7、连接板8、后护套9、后护套盖板10、撑靴垫材11和地支撑12；前护套5和后护套9轴向由连接板8固接后，同轴放置在地支撑12上。如图3、图4所示，每个姿态部件6：均包括两个姿态块61，姿态板63和两个姿态油缸62；两个姿态油缸62的缸筒分别与各自的姿态块61底部铰接，两个姿态油缸\62的活塞杆分别与姿态板63上端面的两端铰接；三个姿态部件6各自的两个姿态块61分别安装在前护套5上、左和右三个方向的前护套5外壳上，三块姿态板63的下端圆弧面与样机护盾14上的球铰141相切，每个姿态油缸62穿过前护套5上对应的通孔，样机护盾14下方经重力安装法兰73、推力关节轴承74、称重传感器75连接到水平重力滑轨71；重力支撑水平滑轨部件7：包括重力安装法兰73、推力关节轴承74、称重传感器75和水平重力滑轨71；水平重力滑轨71安装在前护套5中心的地面上。如图1、图2、图6所示，增速器部件3：包括增速器安装架31和同轴安装在其上的增速器32；两个前护套导轨51分别对称安装在远离后护套9的前护套5外侧，增速器安装架31下面两侧角座与两个前护套导轨51构成滑动副，负载模拟泵1通过中心罩2法兰安装在增速器32输出端，增速器32输入端经万向联轴器4与样机刀盘13连接，后护套9上对称的装有四个连接推力负载油缸14的耳环91，四个推力负载油缸14活塞杆、缸筒分别铰接于样机护盾14和后护套耳环91之间，与样机四个推进油缸15同向安装，样机撑靴16水平撑紧在撑靴垫材11与样机撑靴16等直径的圆形内表面，撑靴垫材11固接在后护套9的平面内壁上，样机尾靴17向下落在后护套9下方弧形内壁，弧形的后护套盖板10装在后护套9上。

所述六个姿态油缸，四个推进油缸，四个推力负载油缸均配套有压力表和位移传感器，负载模拟泵1配有压力表和扭矩传感器，扭矩传感器以法兰形式安装在中心罩2内。

所述后护套9上安装的撑靴垫材11为混凝土、石灰岩或花岗岩。

本发明的工作原理如下：

将各个部件按照图1～图4的关系连接为图5和图6所示的形式，当实验台不工作时，样机撑靴16不撑紧，样机尾靴17支撑在后护套9内弧面上，配合重力支撑水平滑轨部件7支撑样机重量，负载模拟泵1及姿态油缸62均不工作；工作时样机撑靴16撑紧在撑靴垫材11上提供支撑，样机尾靴17提起，样机开始工作，此时样机沿水平重力滑轨71向前掘进，通过万向联轴器4带动增速器部件3、中心罩2和负载模拟泵1沿前护套导轨51轴向滑动，样机刀盘13经万向联轴器4联动并经过增速器32增速后带动负载模拟泵1旋转，负载模拟泵1高压腔溢流产生反扭矩提供扭矩负载，样机推进油缸15的推进力经样机护盾14作用于推力负载油缸18小腔，推力负载油缸18小腔受压溢流提供推力负载。姿态油缸62大腔加压对护盾14进行径向约束，当样机姿态调整时，对应位置上的姿态油缸62大腔溢流，活塞杆回缩，为样机的调姿提供空间。同时样机驱动扭矩反扭矩和负载扭矩反扭矩、推进反力和推力负载反力传递到前护套5、后护套9组成的闭环结构上抵消，左、右姿态部件径向约束力和约束力反力分别经样机护盾14和前护套5抵消，上姿态部件径向约束力和约束力反力分别与称重传感器73和前护套5抵消，模拟真实隧道受力环境。调节负载模拟泵1、姿态油缸62、推力负载油缸18的溢流压力设定，可以重复模拟TBM不同掘进地质环境。样机完成两个推进换步行程之后刀盘13停转，负载泵1、姿态油缸62、推力负载油缸18卸荷，推进油缸15回拉样机，样机退回到原位置，此时样机撑靴16不再撑紧，样机尾靴17落下作重力支撑，为下一次实验做准备。

Claims (3)

1.一种TBM掘进地质环境模拟装置，其特征在于：包括负载模拟泵（1）、中心罩（2）、增速器部件（3）、万向联轴器（4）、前护套（5）、结构相同的三个姿态部件（6）、重力支撑水平滑轨部件（7）、连接板（8）、后护套（9）、后护套盖板（10）、撑靴垫材（11）和地支撑（12）；前护套（5）和后护套（9）轴向由连接板（8）固接后，同轴放置在地支撑（12）上，每个姿态部件（6）：均包括两个姿态块（61），姿态板（63）和两个姿态油缸（62）；两个姿态油缸（62）的缸筒分别与各自的姿态块（61）底部铰接，两个姿态油缸（62）的活塞杆分别与姿态板（63）上端面的两端铰接；三个姿态部件（6）各自的两个姿态块（61）分别安装在前护套（5）上、左和右三个方向的前护套（5）外壳上，三块姿态板（63）的下端圆弧面与样机护盾（14）上的护盾球铰（141）相切，每个姿态油缸（62）穿过前护套（5）上对应的通孔，样机护盾（14）下方经重力安装法兰（73）、推力关节轴承（74）、称重传感器（75）连接到水平重力滑轨（71）；重力支撑水平滑轨部件（7）：包括重力安装法兰（73）、推力关节轴承（74）、称重传感器（75）和水平重力滑轨（71）；水平重力滑轨（71）安装在前护套（5）中心的地面上；增速器部件（3）：包括增速器安装架（31）和同轴安装在其上的增速器（32）；两个前护套导轨（51）分别对称安装在远离后护套（9）的前护套（5）外侧，增速器安装架（31）下面两侧角座与两个前护套导轨（51）构成滑动副，负载模拟泵（1）通过中心罩（2）法兰安装在增速器（32）输出端，增速器（32）输入端经万向联轴器（4）与样机刀盘（13）连接，后护套（9）上对称的装有四个连接推力负载油缸（18）的推力负载油缸安装耳环（91），四个推力负载油缸（18）的活塞杆、缸筒分别铰接于样机护盾（14）和推力负载油缸安装耳环（91）之间，与样机四个推进油缸（15）同向安装，样机撑靴（16）水平撑紧在撑靴垫材（11）与样机撑靴（16）等直径的圆形内表面，撑靴垫材（11）固接在后护套（9）的平面内壁上，样机尾靴（17）向下落在后护套（9）下方弧形内壁，弧形的后护套盖板（10）装在后护套（9）上。

2.根据权利要求1所述的一种TBM掘进地质环境模拟装置，其特征在于：所述六个姿态油缸，四个推进油缸，四个推力负载油缸均配套有压力表和位移传感器，负载模拟泵（1）配有压力表和扭矩传感器，扭矩传感器以法兰形式安装在中心罩（2）内。

3.根据权利要求1所述的一种TBM掘进地质环境模拟装置，其特征在于：所述后护套（9）上安装的撑靴垫材（11）为混凝土、石灰岩或花岗岩。