CN106441751A - 用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验设备及方法 - Google Patents

用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验设备及方法 Download PDF

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王星华
邱统
王新民
夏真荣
张爱军
金守华
房晓军
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China Railway 14th Bureau Group Co Ltd
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Abstract

本发明为一种用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验设备及方法。用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验设备，包括用于模拟上软下硬地层现场勘查土体状态的模拟土体以及用于模拟盾构机的刀具部分旋转和推进的盾构刀盘模拟装置，模拟土体填充于模型试验箱内；盾构刀盘模拟装置的输出端设有采用真实刀盘和刀具等比例缩小的模拟刀盘和模拟刀具，模拟刀盘和模拟刀具伸入到模型试验箱内并朝向模拟土体方向布设。采用在试验箱内，根据现场实际掘进时的工况，填充两种不同强度的土体，真实模拟上软下硬地层，从而在推进力，转速，扭矩，掘进长度，刀具磨损度等方面采集有效的试验数据，给予实际施工的刀具改进提供数据支持。

Description

用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验设备及方法
技术领域
本发明涉及一种盾构机检测技术领域，尤其涉及一种用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验设备。另外还涉及一种用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验方法。
背景技术
现阶段盾构机刀具的磨损检查主要采用停机开仓检查的方法。这种检测方法的主要缺陷是：耽误施工的流畅性和施工的工期，提高了施工成本，而且开仓检查过程中危险性较大，容易产生安全隐患。
半软半硬地层的出现，使得盾构机施工工况的复杂化，导致现阶段地铁盾构掘进施工技术发展到瓶颈。如何更好的判断盾构刀具在这种软硬地层中的磨损情况，更加准确地估计刀盘上刀具的使用寿命以达到缩短施工周期、降低施工成本已成为一个新的研究方向。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验设备及方法，以解决半软半硬地层状态下，现有盾构机刀具的磨损检查方法，耽误施工的流畅性和施工的工期，提高了施工成本，而且开仓检查过程中危险性较大，容易产生安全隐患的技术问题。
为了实现上述技术目的，本发明专利的技术方案是：一种用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验设备，包括用于模拟上软下硬地层现场勘查土体状态的模拟土体以及用于模拟盾构机的刀具部分旋转和推进的盾构刀盘模拟装置，模拟土体填充于模型试验箱内；盾构刀盘模拟装置的输出端设有采用真实刀盘和刀具等比例缩小的模拟刀盘和模拟刀具，模拟刀盘和模拟刀具伸入到模型试验箱内并朝向模拟土体方向布设。
进一步地，模拟刀盘和/或模拟刀具上设有用于记录并反馈刀具磨损量数据的传感器。
进一步地，盾构刀盘模拟装置包括用于控制模拟刀盘转速的同步直流电机以及用于模拟推进力的传动轴；同步直流电机连接并驱动传动轴转动。
进一步地，传动轴采用丝杆或者螺纹杆。
进一步地，模型试验箱包括箱体和盖板；盾构刀盘模拟装置装配于盖板上。
进一步地，盖板通过转动件可转动地连接于箱体上；盖板的闭合端沿箱体的外壁面折弯形成扣合于箱体外壁面并用于密封模型试验箱和使盖板固定在箱体上的扣合结构。
进一步地，模拟土体包括半边填充硬土和半边填充软土，半边填充硬土与半边填充软土分界面为模型试验箱的竖向中截面。
本发明专利的另一技术方案是：一种用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验方法，包括以下步骤：a、现场勘查上软下硬地层的土体样本；b、采用与现场上软下硬地层相同的模拟土样作为试验材料；c、按照实际盾构机的刀盘和刀具等比例制作模拟刀盘和模拟刀具，并使模拟刀具朝向模拟土体；d、设定恒定的推进力和转速后，获取模拟刀盘掘进到设定进尺所需要的时间以及刀具的磨损情况；e、得出推进力、转速、进尺数、刀具磨损量和刀具的形式五个变量之间的关系。
进一步地，步骤b中，将模拟土体按照现场勘查的上软下硬地层分布状况等比例填充到模型试验箱内。
进一步地，步骤d中，通过传动轴传递垂直于模拟土地表面的压力以模拟恒定的推进力；通过同步直流电动机控制控制传动轴恒定旋转以模拟恒定的转速。
本发明的有益技术效果是：
本发明用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验设备，采用在试验箱内，根据现场实际掘进时的工况，填充两种不同强度的土体，这两种不同强度土体的比例可以调整，以真实模拟上软下硬地层，从而在推进力，转速，扭矩，掘进长度，刀具磨损度等方面采集有效的试验数据，给予实际施工的刀具使用寿命和刀具的改进提供数据支持。通过实验室的模拟试验，判断出盾构机刀盘的刀具在软硬地层中的磨损状况，大致估计刀具在该地层中的使用寿命，以避免在施工过程中，盲目、重复开仓检查，提高施工进度与效率、降低施工成本。在实验室的模拟试验过程中，可以监测刀具的外观形态以及材质变化对盾构掘进的速度和刀具磨损情况的影响，为刀盘与刀具改良提供有力的数据支撑。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
附图说明
图1是本发明实施例的用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验设备的结构示意图之一；
图2是本发明实施例的用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验设备的结构示意图之二。
图例说明：
其中，1、模拟土体；101、半边填充硬土；102、半边填充软土；2、盾构刀盘模拟装置；201、模拟刀盘；202、模拟刀具；203、同步直流电机；204、传动轴；3、模型试验箱；301、箱体；302、盖板；4、转动件；5、扣合结构。
具体实施方式
下面对本发明技术内容的进一步说明，但并非对本发明实质内容的限制。
图1是本发明实施例的用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验设备的结构示意图之一；图2是本发明实施例的用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验设备的结构示意图之二。
如图1和图2所示，本实施例的用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验设备，包括用于模拟上软下硬地层现场勘查土体状态的模拟土体1以及用于模拟盾构机的刀具部分旋转和推进的盾构刀盘模拟装置2，模拟土体1填充于模型试验箱3内；盾构刀盘模拟装置2的输出端设有采用真实刀盘和刀具等比例缩小的模拟刀盘201和模拟刀具202，模拟刀盘201和模拟刀具202伸入到模型试验箱3内并朝向模拟土体1方向布设。本发明用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验设备，采用在试验箱内，根据现场实际掘进时的工况，填充两种不同强度的土体，这两种不同强度土体的比例可以调整，以真实模拟上软下硬地层，从而在推进力，转速，扭矩，掘进长度，刀具磨损度等方面采集有效的试验数据，给予实际施工的刀具使用寿命和刀具的改进提供数据支持。通过实验室的模拟试验，判断出盾构机刀盘的刀具在软硬地层中的磨损状况，大致估计刀具在该地层中的使用寿命，以避免在施工过程中，盲目、重复开仓检查，提高施工进度与效率、降低施工成本。在实验室的模拟试验过程中，可以监测刀具的外观形态以及材质变化对盾构掘进的速度和刀具磨损情况的影响，为刀盘与刀具改良提供有力的数据支撑。
如图1和图2所示，本实施例中，模拟刀盘201和/或模拟刀具202上设有用于记录并反馈刀具磨损量数据的传感器。
如图1和图2所示，本实施例中，盾构刀盘模拟装置2包括用于控制模拟刀盘201转速的同步直流电机203以及用于模拟推进力的传动轴204。同步直流电机203连接并驱动传动轴204转动。
如图1和图2所示，本实施例中，传动轴204采用丝杆或者螺纹杆。
如图1和图2所示，本实施例中，模型试验箱3包括箱体301和盖板302；盾构刀盘模拟装置2装配于盖板302上。
如图1和图2所示，本实施例中，盖板302通过转动件4可转动地连接于箱体301上。盖板302的闭合端沿箱体301的外壁面折弯形成扣合于箱体301外壁面并用于密封模型试验箱3和使盖板302固定在箱体301上的扣合结构5。
如图1和图2所示，本实施例中，模拟土体1包括半边填充硬土101和半边填充软土102。半边填充硬土101与半边填充软土102分界面为模型试验箱3的竖向中截面。
本实施例的用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验方法，包括以下步骤：a、现场勘查上软下硬地层的土体样本；b、采用与现场上软下硬地层相同的模拟土样作为试验材料；c、按照实际盾构机的刀盘和刀具等比例制作模拟刀盘201和模拟刀具202，并使模拟刀具202朝向模拟土体1；d、设定恒定的推进力和转速后，获取模拟刀盘201掘进到设定进尺所需要的时间以及刀具的磨损情况；e、得出推进力、转速、进尺数、刀具磨损量和刀具的形式五个变量之间的关系。
本实施例中，步骤b中，将模拟土体1按照现场勘查的上软下硬地层分布状况等比例填充到模型试验箱3内。
本实施例中，步骤d中，通过传动轴204传递垂直于模拟土地表面的压力以模拟恒定的推进力；通过同步直流电动机控制控制传动轴204恒定旋转以模拟恒定的转速。
实施时，根据现场勘查的土体样本，采用与现场地层相同的土样作为试验材料，将这些土样按照现场分布状况一致的比例，填充到模型试验箱内，垂直压力通过传动轴传递，转速控制由同步直流电动机控制，将刀盘和刀具按照实际比例缩小制作的盾构刀盘模拟装置。设定恒定推进力和转速后，查看刀盘掘进到相应进尺所需要的时间，以及刀具的磨损情况。从而得出推进力、转速、进尺数、刀具磨损量和刀具的形式五个变量之间的一定关系。
通过实验室的模拟试验，基本判断出盾构机刀盘的刀具在软硬地层中的磨损状况，大致估计刀具在该地层中的使用寿命，以避免在施工过程中，盲目、重复开仓检查，提高施工进度与效率、降低施工成本。
在实验室的模拟试验过程中，可以监测刀具的外观形态以及材质变化对盾构掘进的速度和刀具磨损情况的影响，为刀盘与刀具改良提供有力的数据支撑。
本发明采用在试验箱内，根据现场实际掘进时的工况，填充两种不同强度的土体，从而在推进力，转速，扭矩，掘进长度，刀具磨损度等方面采集有效的试验数据，给予实际施工的刀具改进提供数据支持。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验设备，其特征在于，包括用于模拟上软下硬地层现场勘查土体状态的模拟土体(1)以及用于模拟盾构机的刀具部分旋转和推进的盾构刀盘模拟装置(2)，模拟土体(1)填充于模型试验箱(3)内；盾构刀盘模拟装置(2)的输出端设有采用真实刀盘和刀具等比例缩小的模拟刀盘(201)和模拟刀具(202)，模拟刀盘(201)和模拟刀具(202)伸入到模型试验箱(3)内并朝向模拟土体(1)方向布设。
2.根据权利要求1所述的用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验设备，其特征在于，模拟刀盘(201)和/或模拟刀具(202)上设有用于记录并反馈刀具磨损量数据的传感器。
3.根据权利要求1所述的用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验设备，其特征在于，盾构刀盘模拟装置(2)包括用于控制模拟刀盘(201)转速的同步直流电机(203)以及用于模拟推进力的传动轴(204)；同步直流电机(203)连接并驱动传动轴(204)转动。
4.根据权利要求3所述的用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验设备，其特征在于，传动轴(204)采用丝杆或者螺纹杆。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验设备，其特征在于，模型试验箱(3)包括箱体(301)和盖板(302)；盾构刀盘模拟装置(2)装配于盖板(302)上。
6.根据权利要求5所述的用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验设备，其特征在于，盖板(302)通过转动件(4)可转动地连接于箱体(301)上；盖板(302)的闭合端沿箱体(301)的外壁面折弯形成扣合于箱体(301)外壁面并用于密封模型试验箱(3)和使盖板(302)固定在箱体(301)上的扣合结构(5)。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验设备，其特征在于，模拟土体(1)包括半边填充硬土(101)和半边填充软土(102)，半边填充硬土(101)与半边填充软土(102)分界面为模型试验箱(3)的竖向中截面。
8.一种用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、现场勘查上软下硬地层的土体样本；
b、采用与现场上软下硬地层相同的模拟土样作为试验材料；
c、按照实际盾构机的刀盘和刀具等比例制作模拟刀盘(201)和模拟刀具(202)，并使模拟刀具(202)朝向模拟土体(1)；
d、设定恒定的推进力和转速后，获取模拟刀盘(201)掘进到设定进尺所需要的时间以及刀具的磨损情况；
e、得出推进力、转速、进尺数、刀具磨损量和刀具的形式五个变量之间的关系。
9.根据权利要求8所述的用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验方法，其特征在于，步骤b中，将模拟土体(1)按照现场勘查的上软下硬地层分布状况等比例填充到模型试验箱(3)内。
10.根据权利要求8所述的用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验方法，其特征在于，步骤d中，通过传动轴(204)传递垂直于模拟土地表面的压力以模拟恒定的推进力；通过同步直流电动机控制控制传动轴(204)恒定旋转以模拟恒定的转速。
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