CN104863603B - 一种tbm实验台刀盘约束系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TBM实验台刀盘约束系统。样机刀盘四周通过上、下、左、右约束油缸组支撑在前支护套的内部；上、左、右约束油缸组的每个约束油缸组均包括约束油缸和支撑板，约束油缸两端铰接前支护套和支撑板，支撑板装在前支护套上径向移动并支撑在样机刀盘上；下约束油缸组的每排下约束油缸包括两个下约束油缸，下约束油缸两端铰接前支护套和下支撑板，下支撑板安装在前支护套上径向移动并支撑在样机刀盘底面。本发明通过四个方向的约束油缸组实现了对TBM样机刀盘的支撑约束，保证了刀盘调姿时油缸的泄油，避免了轴向和周向的侧向力，为刀盘提供了调姿方向的扭矩负载，可模拟不同地质条件下TBM调向时的负载。

Description

一种TBM实验台刀盘约束系统

技术领域

本发明涉及一种约束装置，尤其是涉及一种TBM实验台刀盘约束系统。

背景技术

全断面隧道掘进机(Tunnel Boring Machine)，简称TBM，国内多特指其能够在硬岩地质条件下完成隧道开挖、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的大型隧道工程机械，用以区分土压平衡盾构和泥水盾构。TBM施工法具有快速、优质、安全等优点，普遍应用于国内外的硬岩地质隧道施工现场。

TBM自身结构庞大，系统复杂，同时由于各地地质条件千差万别，对TBM设计提出了不同的刀具、驱动功率、施工参数等要求，导致目前国内外的TBM制造需要预先花费大量人力物力开展施工路线具体地质环境的前瞻性探测，而TBM的参数设定目前也仅能依靠施工经验估量，因而建立TBM关键参数和不地质环境的匹配关系对于TBM施工的发展和新型TBM结构研究有着重要的意义。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。

开展TBM物理模拟实验的难点在于模拟实际TBM掘进时刀盘与围岩的相互作用，传统的实验台仅着重于推力负载和扭矩负载的模拟，仅能模拟TBM在沿直线掘进的工况，然而实际施工时为了避开不利的地质环境，TBM规划路线往往包含多段曲线，更重要的是在部分工程规划时要求两台TBM分别在规划路线的起点和终点相对掘进，因而提高TBM调向精度显得极其重要。要研究TBM调向，仅靠传统的推力负载和扭矩负载无法模拟TBM调向时围岩对刀盘转向方向上的扭矩负载，由此并经过文献检索而发现，目前现有技术还缺少一种能实现TBM实验台刀盘约束的系统。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种TBM实验台刀盘约束系统，为刀盘施加调向时的调向扭矩负载，为TBM高精度姿态控制实验的开展提供支撑。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括前支护套、上约束油缸组、下约束油缸组、左约束油缸组、右约束油缸组，样机刀盘的四周通过分别位于上下左右的上约束油缸组、下约束油缸组、左约束油缸组和右约束油缸组支撑；上约束油缸组、左约束油缸组和右约束油缸组均包括沿样机刀盘轴向间隔布置的两个约束油缸和一块支撑板，约束油缸的一端铰接在前支护套上，另一端均与支撑板铰接，支撑板安装在前支护套内壁的开槽上沿样机刀盘径向移动，三个约束油缸组的支撑板分别支撑在样机刀盘顶面和左右侧面；下约束油缸组包括一块支撑板和平行对称布置在样机刀盘底部两侧的两排下约束油缸，每排下约束油缸包括沿样机刀盘轴向间隔布置的两个下约束油缸，下约束油缸的一端铰接在前支护套上，另一端均与下支撑板铰接，下支撑板安装在前支护套内壁的开槽上沿样机刀盘径向移动，下支撑板支撑在样机刀盘底面。

所述的上约束油缸组包括两个沿样机刀盘轴向间隔布置的上约束油缸和上支撑板，两个约束油缸的一端铰接在前支护套上，另一端均铰接在上支撑板，上支撑板安装在前支护套内壁的开槽上沿样机刀盘径向移动，上支撑板支撑在样机刀盘顶面；所述的左约束油缸组包括两个沿样机刀盘轴向间隔布置的左约束油缸和左支撑板，两个约束油缸的一端铰接在前支护套上，另一端均铰接在左支撑板，左支撑板安装在前支护套内壁的开槽上沿样机刀盘径向移动，左支撑板支撑在样机刀盘左侧面；所述的右约束油缸组包括两个沿样机刀盘轴向间隔布置的右约束油缸和右支撑板，两个约束油缸的一端铰接在前支护套上，另一端均铰接在右支撑板，右支撑板安装在前支护套内壁的开槽上沿样机刀盘径向移动，右支撑板支撑在样机刀盘右侧面。

所述的上约束油缸组、左约束油缸组和右约束油缸组的每个约束油缸组均经相同的侧部油路组件分别连接油箱和定压油源。

所述的侧部油路组件包括侧部电磁换向阀和三通比例减压阀，每个约束油缸的大腔口与侧部电磁换向阀的A口连接，每个约束油缸的小腔口与侧部电磁换向阀的B口连接，与上约束油缸组、左约束油缸组和右约束油缸组连接的每个侧部电磁换向阀的P口经三通比例减压阀连接定压油源，三通比例减压阀的T口连接油箱，与上约束油缸组、左约束油缸组和右约束油缸组连接的每个侧部电磁换向阀的T口连接油箱。

所述的下约束油缸组经底部油路组件分别连接油箱和定压油源。

所述的底部油路组件包括单向阀、电磁比例溢流阀和底部电磁换向阀，每个下约束油缸的大腔入口经各自的单向阀连接到同一底部电磁换向阀的A口，每个下约束油缸的小腔入口均连接到同一底部电磁换向阀的B口，每个下约束油缸的大腔入口均经各自的电磁比例溢流阀连接油箱，底部电磁换向阀的P口连接定压油源，底部电磁换向阀的T口连接油箱。

所述的约束油缸组中的各个油缸均装有压力表和位移传感器。

所述的定压油源包括油泵、过滤器、电机、泄荷阀块和单向阀，油泵经联轴器与电机连接，油泵出口经过滤器输出作为输出油口，输出油口经泄荷阀块后与油泵入口一起连接油箱，油泵出口与输出油口之间连接有单向阀。

整个装置由前后支护套、TBM样机、约束油缸组组成，约束油缸组安装在前支护套上，包含的油缸穿过前支护套，通过与TBM样机刀盘接触的支撑板对样机刀盘实现约束，约束油缸组内各个油缸输出力分别由比例压力阀控制，TBM样机调姿时，对应方向上的一对约束油缸组工作在设定压力，一对支撑板各自在一点对刀盘施加径向作用力，两个作用点沿刀盘轴向的距离作为力臂，约束油缸组实现了对刀盘的调姿扭矩加载。

本发明安装在前支护套外壁并穿过前支护套上下左右四个方向的约束加载油缸组实现对TBM样机刀盘的支撑和约束，TBM样机撑靴油缸高压撑紧在后护套内壁上，与约束加载油缸组共同实现对样机的支撑。

其中下方约束油缸组包含四个压力单独由比例溢流阀控制的油缸，其他三个方向油缸组包含两个压力单独由比例减压阀控制的油缸，实现对各个油缸输出力的分别比例控制；当TBM样机调姿时，以刀盘与对应的支撑板接触点之间轴向的距离作为力臂，则油缸输出的可控力对刀盘提供调姿方向上的可控扭矩约束，模拟TBM掘进时调向的负载特性，进而为研究TBM高精度调向提供实验条件。

本发明具有的有益效果是：

本发明通过四个方向上的约束油缸组实现了对TBM样机刀盘的支撑约束，限制约束油缸组仅能径向移动，保证了刀盘调姿时对应油缸工作在调定压力，避免了轴向和周向的油缸侧向力，同时利用刀盘自身长度作为力臂，为刀盘提供了调姿方向上的扭矩负载。

底部油缸组采用溢流阀被动加载，加载同时支撑样机自重，四个油缸对称分布，避免样机刀盘左右调姿后的倾覆危险。

油缸工作压力比例可调，可模拟不同地质条件下TBM调向时的负载条件。

附图说明

图1是本发明的结构主视图。

图2是本发明的结构左视图。

图3是本发明的液压系统原理图。

图中：1、前支护套，2、上约束油缸组，3、后支护套，4、TBM样机，41、样机刀盘，42、样机撑靴，5、下约束油缸组，6、左约束油缸组，7、右约束油缸组，21、上支撑板，51、下支撑板，61、左支撑板，71、右支撑板，22、上约束油缸，52、下约束油缸，62、左约束油缸，72、右约束油缸，8、单向阀，9、电磁比例溢流阀，10、底部电磁换向阀，11、定压油源，12、三通比例减压阀，13、侧部电磁换向阀，14、压力表，15、位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明包括样机撑靴42和后支护套3，TBM样机4通过样机撑靴42撑在后支护套3内壁，还包括前支护套1、上约束油缸组2、下约束油缸组5、左约束油缸组6、右约束油缸组7，如图2所示，样机刀盘41的四周通过分别位于上下左右的上约束油缸组2、下约束油缸组5、左约束油缸组6和右约束油缸组7支撑在前支护套1内。

如图2所示，上约束油缸组2、左约束油缸组6和右约束油缸组7均包括沿样机刀盘41轴向间隔布置的两个约束油缸和一块支撑板，约束油缸的一端铰接在前支护套1上，另一端均与支撑板铰接，支撑板安装在前支护套1内壁的开槽上沿样机刀盘41径向移动，三个约束油缸组的支撑板分别支撑在样机刀盘41顶面和左右侧面；下约束油缸组5包括一块支撑板和平行对称布置在样机刀盘41底部两侧的两排下约束油缸，每排下约束油缸包括沿样机刀盘41轴向间隔布置的两个下约束油缸52，下约束油缸52的一端铰接在前支护套1上，另一端均与下支撑板51铰接，下支撑板51安装在前支护套1内壁的开槽上沿样机刀盘41径向移动，下支撑板51支撑在样机刀盘41底面。

四块支撑板在上下左右四个方向对TBM样机刀盘41实现约束，位于前后左右四个方向上的支撑板均被前支护套1径向约束，使得支撑板沿TBM样机刀盘41的径向伸缩。

上约束油缸组2包括两个沿样机刀盘41轴向间隔布置的上约束油缸22和上支撑板21，两个约束油缸的一端铰接在前支护套1上，另一端均铰接在上支撑板21，上支撑板21安装在前支护套1内壁的开槽上沿样机刀盘41径向移动，上支撑板21支撑在样机刀盘41顶面；

左约束油缸组6包括两个沿样机刀盘41轴向间隔布置的左约束油缸62和左支撑板61，两个约束油缸的一端铰接在前支护套1上，另一端均铰接在左支撑板61，左支撑板61安装在前支护套1内壁的开槽上沿样机刀盘41径向移动，左支撑板61支撑在样机刀盘41左侧面；

右约束油缸组7包括两个沿样机刀盘41轴向间隔布置的右约束油缸72和右支撑板71，两个约束油缸的一端铰接在前支护套1上，另一端均铰接在右支撑板71，右支撑板71安装在前支护套1内壁的开槽上沿样机刀盘41径向移动，右支撑板71支撑在样机刀盘41右侧面。

如图3所示，上约束油缸组2、左约束油缸组6和右约束油缸组7的每个约束油缸组均经相同的侧部油路组件分别连接油箱和定压油源11。侧部油路组件包括侧部电磁换向阀13和三通比例减压阀12，每个约束油缸的大腔口与侧部电磁换向阀13的A口连接，每个约束油缸的小腔口与侧部电磁换向阀13的B口连接，上约束油缸组2、左约束油缸组6和右约束油缸组7连接的每个侧部电磁换向阀13的P口经三通比例减压阀12连接定压油源11，三通比例减压阀12的T口连接油箱，上约束油缸组2、左约束油缸组6和右约束油缸组7连接的每个侧部电磁换向阀13的T口连接油箱。

如图3所示，下约束油缸组5经底部油路组件分别连接油箱和定压油源11。底部油路组件包括单向阀8、电磁比例溢流阀9和底部电磁换向阀10，每个下约束油缸52的大腔入口经各自的单向阀8连接到同一底部电磁换向阀10的A口，每个下约束油缸52的小腔入口均连接到同一底部电磁换向阀10的B口，每个下约束油缸52的大腔入口均经各自的电磁比例溢流阀9连接油箱，底部电磁换向阀10的P口连接定压油源11，底部电磁换向阀10的T口连接油箱。

约束油缸组中的各个油缸均装有压力表14和位移传感器15。

定压油源11接高压油路H。定压油源11包括油泵、过滤器、电机、泄荷阀块和单向阀，油泵经联轴器与电机连接，油泵出口经过滤器输出作为输出油口，输出油口经泄荷阀块后与油泵入口一起连接油箱，油泵出口与输出油口之间连接有单向阀。

本发明的工作原理和过程如下：

当样机不调向时，下约束油缸组比例溢流阀调定安全压力支撑样机重量，定压油源不启动，其他各个方向换向阀在中位，油缸不加载。

样机向左调向时，定压油源开始工作，H油路建立起由卸荷阀设定的高压，此时上约束油缸组不工作，调定下约束油缸组电磁比例溢流阀为较高的安全压力支撑刀盘自重，上、下约束油缸组换向阀均工作在中位。此时样机刀盘以重力轴为轴线旋转，同时样机向前推进，挤压左约束油缸组，左、右约束油缸组侧部换向阀均工作在左位，换向阀的P口和A口接通，B口接通T口，油缸大腔工作在三通比例减压阀调定压力下，油缸小腔接回油箱，对应左约束油缸组油液由三通减压阀T口溢流，右约束油缸组大腔在对应减压阀调定压力下工作，刀盘在水平面上受到左右约束力，且由于支撑板沿径向伸缩，刀盘在水平截面上与支撑板点接触，左右约束力以刀盘长度为力臂对刀盘施加扭矩约束，调定减压阀工作压力即可设定不同的约束力矩值，从而模拟不同地质条件下TBM横摆调向时的扭矩负载，开展TBM掘进横摆调姿的模拟实验。试验完成后，样机停止推进，撤掉刀盘调向驱动力，右约束油缸组换向阀切换到中位，左约束油缸在大腔高压油作用下伸出，从而将样机刀盘复位，为下次实验做准备。向右调向与之类似。

考虑到安全因素，下约束油缸组仅作被动加载，样机仅能向下调向，根据对称性对实验开展没有影响。样机向下调向时，定压油源开始工作，H油路建立起由卸荷阀设定的高压，此时左、右约束油缸组不工作，对应换向阀工作在中位。样机刀盘以水平面直径线为轴线旋转，同时样机向前推进，挤压下约束油缸组，下约束油缸组换向阀中位接通，对应油缸大腔在单向阀反向堵塞作用下，在比例溢流阀调定压力下泄油，上约束油缸组换向阀左位接通，阀的P口和A口接通，B口接通T口，油缸大腔工作在三通比例减压阀调定压力下，油缸小腔接回油箱，刀盘在垂直面上受到上下约束力，且由于支撑板沿径向伸缩，刀盘在垂直截面上与支撑板点接触，上下约束力以刀盘长度为力臂对刀盘施加扭矩约束，调定减压阀和溢流阀工作压力即可设定不同的约束力矩值，从而模拟不同地质条件下TBM俯仰调向时的扭矩负载，开展TBM掘进俯仰调姿的模拟实验。试验完成后，样机停止推进，撤掉刀盘调向驱动力，下约束油缸组换向阀切换到左位，P口接通对应油缸大腔，上约束油缸组换向阀切换到中位，下约束油缸向上顶出，从而将样机刀盘复位，为下次实验做准备。

本发明通过四个方向上的约束油缸组实现了对TBM样机刀盘的支撑约束，保证了油缸调定压力，避免了油缸侧向力，为刀盘提供了调姿方向上的扭矩负载；且四个油缸对称分布，避免样机刀盘左右调姿后的倾覆危险，可模拟不同地质条件下TBM调向时的负载条件，由此具有突出显著的技术效果。

Claims (7)

1.一种TBM实验台刀盘约束系统，TBM样机（4）通过样机撑靴（42）撑在后支护套（3）内壁，其特征在于：包括前支护套（1）、上约束油缸组（2）、下约束油缸组（5）、左约束油缸组（6）、右约束油缸组（7），样机刀盘（41）的四周通过分别位于上下左右的上约束油缸组（2）、下约束油缸组（5）、左约束油缸组（6）和右约束油缸组（7）支撑；

上约束油缸组（2）、左约束油缸组（6）和右约束油缸组（7）均包括沿样机刀盘（41）轴向间隔布置的两个约束油缸和一块支撑板，约束油缸的一端铰接在前支护套（1）上，另一端均与支撑板铰接，支撑板安装在前支护套（1）内壁的开槽上沿样机刀盘（41）径向移动，三个约束油缸组的支撑板分别支撑在样机刀盘（41）顶面和左右侧面；下约束油缸组（5）包括一块支撑板和平行对称布置在样机刀盘（41）底部两侧的两排下约束油缸，每排下约束油缸包括沿样机刀盘（41）轴向间隔布置的两个下约束油缸（52），下约束油缸（52）的一端铰接在前支护套（1）上，另一端均与下支撑板（51）铰接，下支撑板（51）安装在前支护套（1）内壁的开槽上沿样机刀盘（41）径向移动，下支撑板（51）支撑在样机刀盘（41）底面；

所述的底部油路组件包括单向阀（8）、电磁比例溢流阀（9）和底部电磁换向阀（10），每个下约束油缸（52）的大腔入口经各自的单向阀（8）连接到同一底部电磁换向阀（10）的A口，每个下约束油缸（52）的小腔入口均连接到同一底部电磁换向阀（10）的B口，每个下约束油缸（52）的大腔入口均经各自的电磁比例溢流阀（9）连接油箱，底部电磁换向阀（10）的P口连接定压油源（11），底部电磁换向阀（10）的T口连接油箱。

2.根据权利要求1所述的一种TBM实验台刀盘约束系统，其特征在于：所述的上约束油缸组（2）包括两个沿样机刀盘（41）轴向间隔布置的上约束油缸（22）和上支撑板（21），两个约束油缸的一端铰接在前支护套（1）上，另一端均铰接在上支撑板（21），上支撑板（21）安装在前支护套（1）内壁的开槽上沿样机刀盘（41）径向移动，上支撑板（21）支撑在样机刀盘（41）顶面；

所述的左约束油缸组（6）包括两个沿样机刀盘（41）轴向间隔布置的左约束油缸（62）和左支撑板（61），两个约束油缸的一端铰接在前支护套（1）上，另一端均铰接在左支撑板（61），左支撑板（61）安装在前支护套（1）内壁的开槽上沿样机刀盘（41）径向移动，左支撑板（61）支撑在样机刀盘（41）左侧面；

所述的右约束油缸组（7）包括两个沿样机刀盘（41）轴向间隔布置的右约束油缸（72）和右支撑板（71），两个约束油缸的一端铰接在前支护套（1）上，另一端均铰接在右支撑板（71），右支撑板（71）安装在前支护套（1）内壁的开槽上沿样机刀盘（41）径向移动，右支撑板（71）支撑在样机刀盘（41）右侧面。

3.根据权利要求1所述的一种TBM实验台刀盘约束系统，其特征在于：所述的上约束油缸组（2）、左约束油缸组（6）和右约束油缸组（7）的每个约束油缸组均经相同的侧部油路组件分别连接油箱和定压油源（11）。

4.根据权利要求3所述的一种TBM实验台刀盘约束系统，其特征在于：所述的侧部油路组件包括侧部电磁换向阀（13）和三通比例减压阀（12），每个约束油缸的大腔口与侧部电磁换向阀（13）的A口连接，每个约束油缸的小腔口与侧部电磁换向阀（13）的B口连接，与上约束油缸组（2）、左约束油缸组（6）和右约束油缸组（7）连接的每个侧部电磁换向阀（13）的P口经三通比例减压阀（12）连接定压油源（11），三通比例减压阀（12）的T口连接油箱，与上约束油缸组（2）、左约束油缸组（6）和右约束油缸组（7）连接的每个侧部电磁换向阀（13）的T口连接油箱。

5.根据权利要求1所述的一种TBM实验台刀盘约束系统，其特征在于：所述的下约束油缸组（5）经底部油路组件分别连接油箱和定压油源（11）。

6.根据权利要求1所述的一种TBM实验台刀盘约束系统，其特征在于：所述的约束油缸组中的各个油缸均装有压力表（14）和位移传感器（15）。

7.根据权利要求1或4所述的一种TBM实验台刀盘约束系统，其特征在于：所述的定压油源（11）包括油泵、过滤器、电机、泄荷阀块和单向阀，油泵经联轴器与电机连接，油泵出口经过滤器输出作为输出油口，输出油口经泄荷阀块后与油泵入口一起连接油箱，油泵出口与输出油口之间连接有单向阀。