CN104575238A - Tbm撑靴撑紧围岩多因素模拟试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TBM撑靴撑紧围岩多因素模拟试验装置。包括容箱外壳、围岩侧壁模拟块和容箱前挡板的容箱；包括推进液压缸与主梁铰接座、撑靴、主梁前连接板、撑靴液压缸与撑靴连接座、四支推进液压缸、后支撑梁底座、后支撑梁、四支鞍架支撑液压缸、二支撑靴液压缸、鞍架和主梁的TBM支撑推进机构；各液压缸与各电液控制油路连接。各液压缸控制油路的比例减压阀控制实现不同推进力、不同鞍架支撑转矩及不同撑靴支撑力的模拟；改变推进液压缸与主梁铰接座的位置实现推进方向与掘进方向不同角度的模拟；通过撑靴靴体的五个分体的拆装实现不同的撑靴围岩接触面的模拟。可在较小的空间内，低成本地开展对多因素下的撑靴撑紧围岩试验研究。
Description
技术领域
本发明涉及模拟试验装置，尤其是涉及一种TBM撑靴撑紧围岩多因素模拟试验装置。
背景技术
全断面岩石隧道掘进机（TBM），是机械、电子、液压、激光技术一体化的大型工厂化隧道施工作业系统。TBM法具有掘进速度快、施工周期短、作业环境好、对生态环境友好、综合效益高等优点，是国内外隧道施工方法的重要选择。随着中国国民经济的快速发展，国内城市化进程不断加快，中国城市地铁隧道、水工隧道、越江隧道和铁路隧道等将需要大量TBM。
TBM不同于其它工程机械，由于制造工艺复杂，技术附加值高，国际只有少数几个国家企业能生产，且造价高。对于我国施工常用的敞开式TBM，国内目前仅中国铁建重工一家公司拥有其自主知识产权，且只生产有一台样机；同时受限于现有数学计算的局限性，加上隧道岩土工程的复杂性，物理模拟试验成了研究掘进机关键技术进步重要方式。
目前，在实际施工中，TBM的撑靴撑紧围岩的作用力多是采用人工调整的方法且一般将TBM撑靴接地比压设定为常值，较少考虑TBM撑靴撑紧系统与推进系统、鞍架支撑系统间的耦合特性，也较少考虑撑靴与围岩的接触面不同等因素；这就导致现有的TBM撑靴撑紧围岩控制方式对复杂地质的适应性较差，在相对较软的岩层掘进时，过高的接地比压会破坏围岩的完整性，甚至造成隧洞侧壁坍塌；在较硬地层中掘进时，不够高的接地比压使得无法承受推进反力和反扭矩而导致打滑；这都可能造成施工过程中工程地质问题的发生甚至发展成严重的工程事故，造成重大的经济损失。因此搭建物理试验平台开展不同推进力大小和方向、不同鞍架支撑转矩大小、不同撑靴缸支撑力大小和不同撑靴撑紧围岩接触面等多因素下的撑靴撑紧围岩试验，研究出一种考虑多种因素耦合的撑靴撑紧围岩控制方式，这是具有重大意义的。
查阅现有技术文献资料，可知现有的TBM试验平台，大多为刀盘破岩模拟试验台或者为综合模拟试验台，对于综合试验台，其造价昂贵，对TBM撑靴与围岩的试验研究不够全面，不能综合考虑不同推进反力大小和方向、不同鞍架支撑转矩大小、不同撑靴缸支撑力大小和不同撑靴撑紧围岩接触面等多因素下的试验情况；所以目前还没有一种TBM撑靴撑紧围岩多因素模拟试验装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种TBM撑靴撑紧围岩多因素模拟试验装置，通过推进液压缸电液控制油路的比例减压阀控制推进液压缸压力，通过改变推进液压缸与主梁铰接座的位置来实现模拟撑靴受到不同大小和方向的推进反力作用；通过鞍架支撑缸液压缸控制油路的比例减压阀分别控制四支分两组平行分布于鞍架两侧的鞍架支撑液压缸的压力来实现模拟鞍架作用于撑靴的不同大小的转矩作用；通过撑靴液压缸控制油路的比例减压阀控制撑靴液压缸的压力来实现模拟不同撑靴支撑力；通过撑靴靴体的五个分体的拆装来实现模拟不同的撑靴围岩接触面。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括：容箱和TBM支撑推进机构；容箱包括容箱外壳、围岩侧壁模拟块和容箱前挡板；容箱前挡板固定在容箱壳体的前端；
TBM支撑推进机构包括推进液压缸与主梁铰接座、撑靴、主梁前连接板、撑靴液压缸与撑靴连接座、四支推进液压缸、后支撑梁底座、后支撑梁、四支鞍架支撑液压缸、二支撑靴液压缸、鞍架和主梁；
四支推进液压缸分两组平行分布于主梁左右侧，四支推进液压缸的一端分别通过推进液压缸与主梁铰接座与主梁铰接，四支推进液压缸的另一端铰接于对应的撑靴；鞍架凹槽横跨在主梁两侧，并与主梁两侧的凸台连接；主梁与后支撑梁上端固定连接；后支撑梁下端与后支撑梁底座铰接；
四支鞍架支撑液压缸分两组平行分布鞍架的两侧并一端与鞍架铰接，另一端与撑靴液压缸的缸筒凸台铰接；二支撑靴液压缸的缸筒相互固接,其缸杆均与同侧的撑靴液压缸与撑靴连接座固接，TBM支撑推进机构的主梁前连接板与容箱前挡板固接，两个撑靴靴体弧面与容箱内的围岩侧壁模拟块同心，后支撑梁底座弧面与容箱内弧面接触；
四支推进液压缸、二支撑靴液压缸和四支鞍架支撑液压缸分别与各液压缸电液控制油路连接。
所述撑靴的靴体是分体式的，由两个第一靴体、两个第二靴体和一个第三靴体五个分体组成，第一靴体与第二靴体的连接和第二靴体与第三靴体的连接均通过凸台与凹槽进行定位；各分体均为由形板拼焊而成。
所述主梁两侧的推进液压缸与主梁铰接座均有三组且左右两侧对称布置，主梁单侧的各组推进液压缸与主梁铰接座沿纵向等距分布且各组推进液压缸与主梁铰接座的铰接孔中心与主梁侧壁的横向距离等量递增。
所述各液压缸电液控制油路，均包括：油箱、电磁三位四通换向阀、比例减压阀、压力传感器和控制器；高压油源与比例减压阀进油口相连，比例减压阀出油口与电磁三位四通换向阀的的P口连接，比例减压阀卸油口与油箱连接，电磁三位四通换向阀的的T口与油箱连接，电磁三位四通换向阀的的A口与所控制的液压缸的无杆腔连接，电磁三位四通换向阀的的B口与所控制的液压缸的有杆腔连接，所控制的液压缸的无杆腔连接有压力传感器，压力传感器与控制器相连，控制器与比例减压阀的电磁铁相连。
本发明具有的有益效果是：
本发明通过装置各个液压缸控制油路的比例减压阀控制推进液压缸压力、鞍架支撑液压缸压力、撑靴液压缸的压力实现了不同推进力、不同鞍架支撑转矩及不同撑靴支撑力的模拟；改变推进液压缸与主梁铰接座的位置实现了推进方向与掘进方向不同角度的模拟；通过撑靴靴体的五个分体的拆装来实现不同的撑靴围岩接触面的模拟。采用缩尺并简化的TBM支撑推进机构，可实现在较小的空间内，低成本地开展对多因素下的撑靴撑紧围岩试验研究。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的缩尺TBM支撑推进机构示意图。
图3是本发明分体式撑靴结构示意图。
图4是图1 A的装置各液压缸电液控制油路原理图。
图中：1、容箱外壳，2、围岩侧壁模拟块，3、容箱前挡板，4、容箱加强肋板，5、推进液压缸与主梁铰接座，6、撑靴，7、主梁前连接板， 8、撑靴液压缸与撑靴连接座，9、四支推进液压缸， 10、后支撑梁底座，11、后支撑梁，12、四支鞍架支撑液压缸，13、二支撑靴液压缸，14、鞍架，15、主梁，16、二个第一靴体，17、二个第二靴体，18、第三靴体，19、油箱，20、电磁三位四通换向阀，21、比例减压阀，22、压力传感器，23、控制器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。
如图1、图2所示，本发明包括：容箱和TBM支撑推进机构；容箱包括容箱外壳1、围岩侧壁模拟块2和容箱前挡板3；容箱前挡板3通过螺栓固定在容箱壳体1的前端，容箱加强肋板4焊接在容箱壳体1的左右两外侧；TBM支撑推进机构包括推进液压缸与主梁铰接座5、撑靴6、主梁前连接板7、撑靴液压缸与撑靴连接座8、四支推进液压缸9、后支撑梁底座10、后支撑梁11、四支鞍架支撑液压缸12、二支撑靴液压缸13、鞍架14和主梁15；四支推进液压缸9分两组平行分布于主梁15左右侧，四支推进液压缸9的一端分别通过推进液压缸与主梁铰接座5与主梁15铰接，四支推进液压缸9的另一端铰接于对应的撑靴6；鞍架14凹槽横跨在主梁15两侧，并与主梁15两侧的凸台连接；主梁15与后支撑梁11上端通过螺栓固定连接；后支撑梁11下端与后支撑梁底座10铰接；四支鞍架支撑液压缸12分两组平行分布鞍架的两侧并一端与鞍架14铰接，另一端与撑靴液压缸13的缸筒凸台铰接；二支撑靴液压缸13的缸筒相互固接,其缸杆均与同侧的撑靴液压缸与撑靴连接座固接，TBM支撑推进机构的主梁前连接板7与容箱前挡板3固接，两个撑靴6靴体弧面与容箱内的围岩侧壁模拟块2同心，后支撑梁底座10弧面与容箱内弧面接触。
四支推进液压缸9、二支撑靴液压缸13和四支鞍架支撑液压缸12分别与各液压缸电液控制油路连接。
如图3所示，所述撑靴6的靴体是分体式的，由两个第一靴体16、两个第二靴体17和一个第三靴体18五个分体组成，第一靴体16与第二靴体17的连接和第二靴体17与第三靴体18的连接均通过凸台与凹槽进行定位；各分体均为由形板拼焊而成。
所述主梁15两侧的推进液压缸9与主梁铰接座5均有三组且左右两侧对称布置，主梁15单侧的各组推进液压缸与主梁铰接座5沿纵向等距分布且各组推进液压缸与主梁铰接座5的铰接孔中心与主梁侧壁的横向距离等量递增。
如图4所示，所述各液压缸电液控制油路，均包括：油箱19、电磁三位四通换向阀20、比例减压阀21、压力传感器22和控制器23；高压油源与比例减压阀21进油口相连，比例减压阀21出油口与电磁三位四通换向阀的20的P口连接，比例减压阀21卸油口与油箱19连接，电磁三位四通换向阀的20的T口与油箱19连接，电磁三位四通换向阀的20的A口与所控制的液压缸的无杆腔连接，电磁三位四通换向阀的20的B口与所控制的液压缸的有杆腔连接，所控制的液压缸的无杆腔连接有压力传感器22，压力传感器22与控制器23相连，控制器23与比例减压阀21的电磁铁相连。
本发明的工作原理如下：
将机械部件按照图1、图2、图3所示的关系安装后，装置各个液压缸电液控制油路按图4所示连接后；二支撑靴液压缸13的电液控制油路的电磁三位四通换向阀20左位得电，高压油通过该电液控制油路的比例减压阀21后，从该电液控制油路的电磁三位四通换向阀20的P口流入，A口流出后并进入撑靴液压缸13的无杆腔，撑靴液压缸13推动两侧撑靴6撑紧围岩侧壁模拟块2，通过该电液控制油路的压力传感器22、控制器23闭环控制撑靴支撑力的大小。四支推进液压缸9的电液控制油路的电磁三位四通换向阀20左位得电，高压油通过该电液控制油路的比例减压阀21后，从该电液控制油路的电磁三位四通换向阀20的P口流入，A口流出后并进入推进液压缸9无杆腔，推进液压缸9产生推进力并通过推进液压缸与主梁铰接座5传递给主梁15，主梁15的推进合力与容箱前挡板3推进阻力抵消，同时推进液压缸9对撑靴6产生推进反力作用，一方面可通过该电液控制油路的压力传感器22、控制器23闭环控制推进液压缸9对撑靴6的推进反力大小，另一方面可通过改变推进液压缸与主梁铰接座5的位置得到不同推进反力方向。一组鞍架支撑液压缸12的电液控制油路的电磁三位四通换向阀20左位得电，高压油通过该电液控制油路的比例减压阀21后，从该电液控制油路的电磁三位四通换向阀20的P口流入，A口流出后并进入该组鞍架支撑液压缸12无杆腔，该组鞍架支撑液压缸12对撑靴液压缸13缸筒产生向下压的作用力；另一组鞍架支撑液压缸12的电液控制油路的电磁三位四通换向阀20右位得电，高压油通过该电液控制油路的比例减压阀21后，从该电液控制油路的电磁三位四通换向阀20的P口流入，B口流出后并进入该组鞍架支撑液压缸12有杆腔，该组鞍架支撑液压缸12对撑靴液压缸13缸筒产生向上拉的作用力；由这两组鞍架支撑缸分别对撑靴液压缸13缸筒产生的拉力与压力所合成的转矩作用，可通过这两组鞍架支撑液压缸12对应的电液控制油路的压力传感器22、控制器23闭环控制其大小。通过拆装撑靴6靴体上下的第一靴体16、第二靴体17可以切换不同撑靴围岩接触面。由上可知，装置可模拟开展在：不同推进反力大小方向、不同撑靴支撑力大小、不同鞍架支撑转矩大小和不同撑靴围岩接触面面等情况下的撑靴撑紧围岩试验。
Claims (4)
1.一种TBM撑靴撑紧围岩多因素模拟试验装置，其特征在于，包括：容箱和TBM支撑推进机构；容箱包括容箱外壳（1）、围岩侧壁模拟块（2）和容箱前挡板（3）；容箱前挡板（3）固定在容箱壳体（1）的前端；TBM支撑推进机构包括推进液压缸与主梁铰接座（5）、撑靴（6）、主梁前连接板（7）、撑靴液压缸与撑靴连接座（8）、四支推进液压缸（9）、后支撑梁底座（10）、后支撑梁（11）、四支鞍架支撑液压缸（12）、二支撑靴液压缸（13）、鞍架（14）和主梁（15）；四支推进液压缸（9）分两组平行分布于主梁（15）左右侧，四支推进液压缸（9）的一端分别通过推进液压缸与主梁铰接座（5）与主梁（15）铰接，四支推进液压缸（9）的另一端铰接于对应的撑靴（6）；鞍架（14）凹槽横跨在主梁（15）两侧，并与主梁（15）两侧的凸台连接；主梁（15）与后支撑梁（11）上端固定连接；后支撑梁（11）下端与后支撑梁底座（10）铰接；四支鞍架支撑液压缸（12）分两组平行分布鞍架的两侧并一端与鞍架（14）铰接，另一端与撑靴液压缸（13）的缸筒凸台铰接；二支撑靴液压缸（13）的缸筒相互固接,其缸杆均与同侧的撑靴液压缸与撑靴连接座固接，TBM支撑推进机构的主梁前连接板（7）与容箱前挡板（3）固接，两个撑靴（6）靴体弧面与容箱内的围岩侧壁模拟块（2）同心，后支撑梁底座（10）弧面与容箱内弧面接触；
四支推进液压缸（9）、二支撑靴液压缸（13）和四支鞍架支撑液压缸（12）分别与各液压缸电液控制油路连接。
2.根据权利要求1所述的一种TBM撑靴撑紧围岩多因素模拟试验装置，其特征在于：所述撑靴（6）的靴体是分体式的，由两个第一靴体（16）、两个第二靴体（17）和一个第三靴体（18）五个分体组成，第一靴体（16）与第二靴体（17）的连接和第二靴体（17）与第三靴体（18）的连接均通过凸台与凹槽进行定位；各分体均为由形板拼焊而成。
3.根据权利要求1所述的一种TBM撑靴撑紧围岩多因素模拟试验装置，其特征在于：所述主梁（15）两侧的推进液压缸与主梁铰接座（5）均有三组且左右两侧对称布置，主梁（15）单侧的各组推进液压缸与主梁铰接座（5）沿纵向等距分布且各组推进液压缸与主梁铰接座（5）的铰接孔中心与主梁侧壁的横向距离等量递增。
4.根据权利要求1所述的一种TBM撑靴撑紧围岩多因素模拟试验装置，其特征在于：所述各液压缸电液控制油路，均包括：油箱（19）、电磁三位四通换向阀（20）、比例减压阀（21）、压力传感器（22）和控制器（23）；高压油源与比例减压阀（21）进油口相连，比例减压阀（21）出油口与电磁三位四通换向阀的（20）的P口连接，比例减压阀（21）卸油口与油箱（19）连接，电磁三位四通换向阀的（20）的T口与油箱（19）连接，电磁三位四通换向阀的（20）的A口与所控制的液压缸的无杆腔连接，电磁三位四通换向阀的（20）的B口与所控制的液压缸的有杆腔连接，所控制的液压缸的无杆腔连接有压力传感器（22），压力传感器（22）与控制器（23）相连，控制器（23）与比例减压阀（21）的电磁铁相连。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20170104 Termination date: 20220121 |