CN106444608B - 一种盾构机用流体多功能试验台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种盾构机用流体多功能试验台，包括：刀盘喷口装置、搅拌装置、泡沫系统、膨润土系统、水系统、油脂系统、空气系统、监控系统、收集箱、外接口集成板、底座；其中，刀盘喷口装置包括搅拌容器、刀盘喷口、土压传感器、隔膜式压力表、玻璃视镜和搅拌棒；搅拌装置包括减速器、主轴、轴承、轴端密封、搅拌叶片和搅拌棒；本发明集成了盾构机的各个流体系统，可模拟其不同工况下的工作状态，测试系统整体及所属元器件的性能参数，同时也可以输出多种流体介质，为盾构机的设计、制造和使用提供了试验研究平台。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工设备的技术领域，具体涉及一种盾构机用流体多功能试验台。
背景技术
随着我国城市化进程的快速发展，盾构技术迅速普及，而目前在盾构机流体系统的设计中各流体系统的性能、各元器件的性能和参数主要靠经验借鉴或者现场测试，国内尚没有专门对盾构机流体系统进行测试的设备。为了缩短设计周期，加快新产品的研发速度，使盾构机的设计科学合理，以提高现有产品的技术水平，设计一套安全、环保、便捷、易于扩展、适应性强的盾构机流体多动能试验平台是需要解决的重要问题。
发明内容
针对上述背景技术的不足，本发明提供了一种盾构机用流体多功能试验台，以解决现有技术的适应性差，集成度低，检测精确度差的技术问题。
本发明的技术方案是：一种盾构机用流体多功能试验台，包括刀盘喷口装置、搅拌装置、泡沫系统、膨润土系统、水系统、油脂系统、空气系统、监控系统、收集箱、外接口集成板和底座；水系统通过管路分别与泡沫系统、膨润土系统、刀盘喷口装置、收集箱以及外接口集成板相连接，空气系统通过集成板接口与泡沫系统、油脂系统和刀盘喷口装置相连接，油脂系统与外接口集成板相连接，膨润土系统分别与刀盘喷口装置、收集箱、外接口集成板相连接，泡沫系统与刀盘喷口装置、收集箱、外接口集成板相连接；其中，
所述刀盘喷口装置包括搅拌容器、刀盘喷口、土压传感器、隔膜式压力表、玻璃视镜、被动搅拌棒和固定架，搅拌容器安装在固定架上，搅拌容器的外端面上设有刀盘喷口、土压传感器和膈膜式压力表，玻璃视镜安装在搅拌容器的外侧面上，在所述搅拌容器的内部端面上设有被动搅拌棒；
所述搅拌装置包括变频电机Ⅰ、减速器Ⅰ、主轴、联轴器、搅拌叶片和搅拌棒，减速器Ⅰ安装在固定架上，变频电机Ⅰ的输出轴与减速器Ⅰ的输入轴相连接，减速器Ⅰ的输出轴通过联轴器与主轴的输入端相连接，主轴输出端水平设置于搅拌容器内部，主轴的输出端设有搅拌叶片，搅拌叶片远离主轴的一端设有搅拌棒；
所述泡沫系统包括泡沫原液泵、泡沫混合泵、泡沫原液箱、泡沫混合液箱和泡沫发生器，泡沫原液泵的入口与泡沫原液箱底部相连接，泡沫原液泵的出口与泡沫混合液箱相连接，泡沫混合泵的入口与泡沫混合液箱底部相连接，泡沫混合泵出口与泡沫发生器相连接，泡沫发生器与外接口集成板上的泡沫输出口相连接。
所述膨润土系统包括挤压泵和膨润土搅拌箱，挤压泵的入口通过管道与膨润土搅拌箱相连接，挤压泵的出口分别与外接口集成板上的膨润土输出口、收集箱相连接；所述油脂系统包括HBW油脂泵、盾尾油脂泵和Ep2油脂泵，HBW油脂泵的入口、盾尾油脂泵的入口和Ep2油脂泵的入口均设置有输入接口，HBW油脂泵的出口与外接口集成板上的HBW油脂输出口相连接、盾尾油脂泵的出口与外接口集成板上盾尾油脂输出口相连接，Ep2油脂泵的出口与外接口集成板上Ep2油脂输出口相连接；所述监控系统包括控制箱、工控机和PLC，工控机设置在控制箱面板上，PLC设置在控制箱内部，工控机和PLC之间通过电缆相连接，PLC与液位开关相连接。
所述膨润土搅拌箱与泡沫混合液箱结构相同，在箱体上设有变频电机Ⅱ和减速器Ⅱ，变频电机Ⅱ输出轴水平设置并与减速器Ⅱ输入轴相相连接，减速器Ⅱ输出轴竖直设置并与位于箱体内的搅拌轴的一端相连接，搅拌轴的另一端通过轴座与箱体相连接，搅拌轴通过轴套与叶片轴相连接，叶片轴上设有叶片。
所述泡沫发生器由三个并联的泡沫发生单元、泡沫视镜构成，泡沫视镜的一端与泡沫发生单元相连接，泡沫视镜的另一端与手动球阀相连接，手动球阀与泡沫视镜之间设有压力传感器。
所述泡沫发生单元包括入口座、连接体、喷嘴、前挡圈、腔体、后挡圈和出口座，腔体的一端与连接体相连接、另一端与出口座相连接，连接体的另一端与入口座相连接，喷嘴套设在入口座的内部，腔体内填充有玻璃微珠，腔体与连接体之间设有前挡圈和O型圈，腔体与出口座之间设有后挡圈和O型圈，入口座与连接体之间设有O型圈。
所述刀盘喷口装置设有两个刀盘喷口和两个玻璃视镜，两个刀盘喷口分别位于主轴的两侧，一个玻璃视镜水平设置于搅拌容器的外侧面上，另外一个玻璃视镜与水平设置的玻璃视镜之间的夹角为100°~140°。
所述主轴与搅拌容器之间采用迷宫式机械密封+Y型密封+O型圈组合式主轴密封方式。
所述所述清水箱、泡沫原液箱、泡沫混合液箱、膨润土搅拌箱和收集箱均安装有液位开关。
所述管道中设有手动球阀、手动截止阀、丝扣式止回阀和电动调节阀。
本发明将盾构机的各个流体系统进行高度集成，可模拟不同工况下各个系统的工作状态及所属元器件的性能参数，模拟刀盘搅拌与渣土改良实验，测试刀盘喷口橡胶板性能，同时也可以输出多种流体介质，本发明所有元器件均可更换，可实现对不同形式的传感器、泵以及阀门等流体元器件的可靠性验证以及系统优化设计，为实现盾构零部件的国产化提供数据支持。
附图说明
图1为盾构机用流体多功能试验台原理图。
图2 为盾构机用流体多功能试验台总装图。
图3 为刀盘喷口及搅拌装置剖视图。
图4 为刀盘喷口及搅拌装置主视图。
图5 为刀盘喷口及搅拌装置左视图。
图6 为膨润土搅拌箱结构图。
图7 为泡沫发生单元剖视图。
图8 为泡沫发生单元右视图。
其中各标号对应部件为：1-HBW油脂泵；2-盾尾油脂泵；3-EP2油脂泵；4-膨润土搅拌箱；401-减速器Ⅱ；402-变频电机Ⅱ；403-叶片；404-搅拌轴；405-叶片轴；406-轴套；407-轴座；408-箱体；5-挤压泵；6-清水箱；7-水泵 8-泡沫原液箱；9-泡沫原液泵；10-泡沫混合液箱；11-泡沫混合液泵；12-丝扣式止回阀；13-流量传感器；14-电动调节阀；15-泡沫发生器；151-泡沫发生单元；1511-入口座；1512-连接体；1513-喷嘴；1514-前挡圈；1515-腔体；1516-玻璃微珠；1517-后挡圈；1518-出口座；1519-O型圈；152-泡沫视镜；16-压力传感器；17-手动球阀 18-手动截止阀 19-刀盘喷口装置；191-玻璃视镜；192-被动搅拌棒；193-刀盘喷口；194-搅拌容器；195-土压传感器；196-隔膜式压力表；20-搅拌装置；201-减速器Ⅰ；202-联轴器；203-主轴；204-搅拌棒；205-搅拌叶片；206-变频电机Ⅰ；21-收集箱；211-物料开关；22-外接口集成板；221-泡沫输出口；222-清水输出口；223-膨润土输出口；224-空气输入口；225-盾尾油脂输出口；226-HBW油脂输出口；227-EP2油脂输出口；23-减压阀；24-控制箱；25-底座；26-固定架。
具体实施方式
实施例：如图1-8所示，本发明提供了一种盾构机用流体多功能试验台，用于模拟盾构机的各个流体系统不同工况下的工作状态，测试系统整体及所属元器件的性能参数，输出多种流体介质，模拟刀盘搅拌与渣土改良实验，包括：刀盘喷口装置 19、搅拌装置20、泡沫系统、膨润土系统、水系统、油脂系统、空气系统、监控系统、收集箱21、外接口集成板22、底座25、管道和电缆。其中，水系统通过管路接入泡沫系统、膨润土系统、刀盘喷口装置19、收集箱21以及外接口集成板22；空气系统从集成板22接口接入泡沫系统、油脂系统与刀盘喷口装置19；油脂系统与外接口集成板22相连；膨润土系统分别接入刀盘喷口装置19、收集箱21与外接口集成板22；泡沫系统与水系统、空气系统相连后接入刀盘喷口装置19、收集箱21以及外接口集成板22。
所述刀盘喷口装置19包括搅拌容器194、刀盘喷口193、土压传感器195、隔膜式压力表196、玻璃视镜191、被动搅拌棒192和固定架26，所述搅拌容器194设置于固定架26上，搅拌容器194的面板上设有两个刀盘喷口193，一个土压传感器195和一个膈膜式压力表196，在搅拌容器194侧面左上角和右侧分别设有所述玻璃视镜191，两个玻璃视镜191之间的角度为120°，在搅拌容器194的内部面板上设有四个被动搅拌棒192。刀盘喷口用于测试喷口橡胶板的性能，土压传感器和膈膜式压力表可以进行土压测量对比试验，玻璃视镜够方便的观察内部搅拌的情况。
所述搅拌装置包括搅拌装置20包括变频电机Ⅰ206、减速器Ⅰ201、主轴203、联轴器202、搅拌叶片205和搅拌棒204，所述减速器Ⅰ201设置于固定架26上，变频电机Ⅰ206输出轴与减速器Ⅰ201输入轴相连接，减速器Ⅰ201的输出轴通过联轴器202与主轴203的输入端连接，主轴203的输出端圆柱面上垂直设置有四个搅拌叶片205，每个搅拌叶片205在顶部设置有一个所述搅拌棒204，主轴203输出端水平设置于搅拌容器194内部，主轴203与搅拌容器之间采用迷宫式机械密封，搅拌容器内的渣土取自工程现场实际样本，利用流体多功能平台调节各个流体系统的配比与流量来研究该样本的最佳改良配比。
所述刀盘喷口装置19和搅拌装置20，用于在保压工作状态下同时注入泡沫和膨润土，进行渣土搅拌，模拟带压工作状态下的渣土改良。
所述泡沫系统包括泡沫原液泵9、泡沫混合泵11、泡沫原液箱8、泡沫混合液箱10和泡沫发生器15，所述泡沫原液泵9的入口设置于泡沫原液箱8底部，泡沫原液泵9的出口通过管道与泡沫混合泵11入口连接，所述泡沫混合泵11出口设置于泡沫混合液箱10底部，泡沫混合泵11通过管道与所述泡沫发生器15入口连接，泡沫发生器15的出口、泡沫视镜152、压力传感器和外接口集成板22上的泡沫输出口221顺次连接在管道上，泡沫发生器15由三个泡沫发生单元151并联而成，通过控制与泡沫发生单元串联连接的手动球阀17，可以实现单个泡沫发生单元151单独工作或多个泡沫发生单元151协同工作，并改变每个泡沫发生单元151的泡沫产生速率。所述泡沫发生单元151包括入口座1511、连接体1512、喷嘴1513、前挡圈1514、腔体1515、后挡圈1517和出口座1518，腔体1515的一端与连接体1512相连接、另一端与出口座1518相连接，连接体1512的另一端与入口座1511相连接，喷嘴1513套设在入口座1511的内部，腔体1515内填充有玻璃微珠1516，腔体1515与连接体1512之间设有前挡圈1514和O型圈1519，腔体1515与出口座1518之间设有后挡圈1517和O型圈1519，入口座1511与连接体1512之间设有O型圈1519。
泡沫系统运行时，清水与由所述泡沫原液泵提供的泡沫原液进入所述泡沫混合液箱搅拌混合，待混合均匀后通过所述泡沫混合泵输送至所述泡沫发生器，与空气混合后形成泡沫。泡沫系统可以通过手动和自动两种方式进行水、气的压力和流量的调节。手动控制方式中，由操作人员根据经验来调节手动球阀。自动控制方式中，泡沫混合液中的水量和压缩空气的流量由流量传感器进行检测，泡沫混合液的压力由压力传感器进行检测，检测信号反馈至PLC，PLC经过逻辑运算和数学运算，控制所述泡沫原液泵频率和所述电动调节阀的开度，以得到最佳的混合比及膨胀率，并使泡沫的注入压力低于设定的最高压力。PLC同时将数据通过通讯传输到工控机，进行实时的数据显示。
所述膨润土系统包括挤压泵5和膨润土搅拌箱4，所述挤压泵5入口通过管道与膨润土搅拌箱4连接，从挤压泵5出口开始管道分为两路，第一路与压力传感器16、流量传感器13和外接口集成板22上膨润土输出口223顺次连接，第二路与收集箱21连接。收集箱能够收集系统废液，并集中进行处理减小环境污染。膨润土经过加水在膨润土搅拌箱搅拌膨化后，由挤压泵输出，传感器将流量和压力信息实时反馈至PLC，PLC通过对挤压泵进行变频调速来调节流量和压力，保证过程中膨润土的注入压力始终低于设定的最高压力。
所述膨润土搅拌箱4和泡沫混合液箱10采用了相同结构，在箱体408上部设置有变频电机Ⅱ402和减速器Ⅱ401，变频电机Ⅱ402输出轴水平设置并与减速器Ⅱ401输入轴相连接，减速器Ⅱ401输出轴竖直设置并与位于箱体408内的搅拌轴404相固定，搅拌轴404的另一端通过轴座407与箱体408相连接，搅拌轴404上设置有两个轴套406，每个轴套固定两个叶片轴405，每个叶片轴固定一个叶片403。
水系统包括清水箱6和水泵7，所述水泵7的入口与清水箱6相连接，所述水泵7的出口分别与膨润土搅拌箱4、泡沫发生器16、搅拌容器194、收集箱21、外接口集成板22上的清水输出口222相连接，从水泵7出口开始所述管道分为五路，第一路与膜片阀、流量传感器和膨润土搅拌箱4顺次连接，其余四路分别与泡沫发生器15、搅拌容器194、收集箱21和外接口集成板22上清水输出口222连接。水系统主要为泡沫系统、膨润土系统及单独输出提供一定压力和流量的清水。
油脂系统包括HBW油脂泵1、盾尾油脂泵2和Ep2油脂泵3，HBW油脂泵1的入口、盾尾油脂泵2的入口和Ep2油脂泵3的入口均设置有输入接口，HBW油脂泵1的出口通过管道与外接口集成板22上的HBW油脂输出口226相连接、盾尾油脂泵2的出口通过管道与外接口集成板22上盾尾油脂输出口225相连接，Ep2油脂泵3的出口通过管道与外接口集成板22上Ep2油脂输出口227相连接。油脂系统用于进行油脂压损测试和油脂输送性能测试。
所述空气系统包括空压机和压力表，从所述外接口集成板22上空气输入口224开始所述管道分为四路，第一路与减压阀23连接、其余三路分别与HBW油脂泵1、盾尾油脂泵2、Ep2油脂泵3连接，从减压阀23开始管道又分为两子路，第一子路与搅拌容器194连接，第二子路与流量传感器13、电动调节阀14和泡沫发生器顺次连接；所述空压机在使用时连接至所述外接口集成板上空气输入口，在不使用时可以拆除。
连接各个所述设备之间的所述管道均安装有手动球阀17、手动截止阀18、丝扣式止回阀12和压力表。所述清水箱6、泡沫原液箱9、泡沫混合液箱10、膨润土搅拌箱4和收集箱21均安装有液位开关211。收集箱21可以在试验中收集废水、废料，然后集中排出，保证试验的环保、经济。
所述监控系统包括控制箱、工控机和PLC，工控机设置在控制箱面板上，PLC设置在控制箱内部，工控机和PLC之间通过所述电缆进行通讯连接，PLC与传感器、液位开关、变频电机和电动调节阀之间通过所述电缆进行电气连接，所述PLC实时采集各压力传感器、流量传感器和液位开关的反馈信号，并进行逻辑运算和数字运算，根据运算结果进行变频电机和电动调节阀的控制，所述工控机将PLC采集的数据进行实时显示，并能够设置和修改PLC进行控制的参数和方式。
所述清水箱6、泡沫原液箱8、泡沫混合液箱10、膨润土搅拌箱4、收集箱21、控制箱、外接口集成板22、固定架26、挤压泵5、水泵7、泡沫原液泵9、泡沫混合液泵11、HBW油脂泵1、盾尾油脂泵2和Ep2油脂泵3均设置在底座上。
本发明将盾构机的各个流体系统进行高度集成，模拟刀盘搅拌与渣土改良实验，测试刀盘喷口橡胶板性能，所有元器件均可更换，可实现对不同形式的传感器、泵以及阀门等流体元器件的可靠性验证以及系统优化设计，为实现盾构零部件的国产化提供数据支持。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种盾构机用流体多功能试验台，包括泡沫系统、膨润土系统、水系统、油脂系统、空气系统、监控系统，其特征在于：还包括刀盘喷口装置（19）、搅拌装置（20）、收集箱（21）、外接口集成板（22）和底座（25）；水系统通过管路分别与泡沫系统、膨润土系统、刀盘喷口装置（19）、收集箱（21）以及外接口集成板（22）相连接，空气系统通过集成板（22）接口与泡沫系统、油脂系统和刀盘喷口装置（19）相连接，油脂系统与外接口集成板（22）相连接，膨润土系统分别与刀盘喷口装置（19）、收集箱（21）、外接口集成板（22）相连接，泡沫系统与刀盘喷口装置（19）、收集箱（21）、外接口集成板（22）相连接；其中，所述刀盘喷口装置（19）包括搅拌容器（194）、刀盘喷口（193）、土压传感器（195）、隔膜式压力表（196）、玻璃视镜（191）、被动搅拌棒（192）和固定架（26），搅拌容器（194）安装在固定架（26）上，搅拌容器（194）的外端面上设有刀盘喷口（193）、土压传感器（195）和膈膜式压力表（196），玻璃视镜（191）安装在搅拌容器（194）的外侧面上，在所述搅拌容器（194）的内部端面上设有被动搅拌棒（192）；
所述搅拌装置（20）包括变频电机Ⅰ（206）、减速器Ⅰ（201）、主轴（203）、联轴器（202）、搅拌叶片（205）和搅拌棒（204），减速器Ⅰ（201）安装在固定架（26）上，变频电机Ⅰ（206）的输出轴与减速器Ⅰ（201）的输入轴相连接，减速器Ⅰ（201）的输出轴通过联轴器（202）与主轴（203）的输入端相连接，主轴（203）输出端水平设置于搅拌容器（194）内部，主轴（203）的输出端设有搅拌叶片（205），搅拌叶片（205）远离主轴（203）的一端设有搅拌棒（204）；
所述泡沫系统包括泡沫原液泵（9）、泡沫混合泵（11）、泡沫原液箱（8）、泡沫混合液箱（10）和泡沫发生器（15），泡沫原液泵（9）的入口与泡沫原液箱（8）底部相连接，泡沫原液泵（9）的出口与泡沫混合液箱（10）相连接，泡沫混合泵（11）的入口与泡沫混合液箱（10）底部相连接，泡沫混合泵（11）出口与泡沫发生器（15）相连接，泡沫发生器（15）与外接口集成板（22）上的泡沫输出口（221）相连接。
2.根据权利要求1所述的盾构机用流体多功能试验台，其特征在于：所述膨润土系统包括挤压泵（5）和膨润土搅拌箱（4），挤压泵（5）的入口通过管道与膨润土搅拌箱（4）相连接，挤压泵（5）的出口分别与外接口集成板（22）上的膨润土输出口（223）、收集箱（21）相连接；所述油脂系统包括HBW油脂泵（1）、盾尾油脂泵（2）和Ep2油脂泵（3），HBW油脂泵（1）的入口、盾尾油脂泵（2）的入口和Ep2油脂泵（3）的入口均设置有输入接口，HBW油脂泵（1）的出口与外接口集成板（22）上的HBW油脂输出口（226）相连接、盾尾油脂泵（2）的出口与外接口集成板（22）上盾尾油脂输出口（225）相连接，Ep2油脂泵（3）的出口与外接口集成板（22）上Ep2油脂输出口（227）相连接；所述监控系统包括控制箱、工控机和PLC，工控机设置在控制箱面板上，PLC设置在控制箱内部，工控机和PLC之间通过电缆相连接，PLC与液位开关（211）相连接。
3.根据权利要求2所述的盾构机用流体多功能试验台，其特征在于：所述管道中设有手动球阀（17）、手动截止阀（18）、丝扣式止回阀（12）和电动调节阀（14）。
4.根据权利要求2所述的盾构机用流体多功能试验台，其特征在于：所述膨润土搅拌箱（4）与泡沫混合液箱（10）结构相同，在箱体（408）上设有变频电机Ⅱ（402）和减速器Ⅱ（401），变频电机Ⅱ（402）输出轴水平设置并与减速器Ⅱ（401）输入轴相相连接，减速器Ⅱ（401）输出轴竖直设置并与位于箱体（408）内的搅拌轴（404）的一端相连接，搅拌轴（404）的另一端通过轴座（407）与箱体（408）相连接，搅拌轴（404）通过轴套（406）与叶片轴（405）相连接，叶片轴（405）上设有叶片（403）。
5.根据权利要求1所述的盾构机用流体多功能试验台，其特征在于：所述泡沫发生器（15）由三个并联的泡沫发生单元（151）、泡沫视镜（152）构成，泡沫视镜（152）的一端与泡沫发生单元（151）相连接，泡沫视镜（152）的另一端与手动球阀（17）相连接，手动球阀（17）与泡沫视镜（152）之间设有压力传感器（16）。
6.根据权利要求5所述的盾构机用流体多功能试验台，其特征在于：所述泡沫发生单元（151）包括入口座（1511）、连接体（1512）、喷嘴（1513）、前挡圈（1514）、腔体（1515）、后挡圈（1517）和出口座（1518），腔体（1515）的一端与连接体（1512）相连接、另一端与出口座（1518）相连接，连接体（1512）的另一端与入口座（1511）相连接，喷嘴（1513）套设在入口座（1511）的内部，腔体（1515）内填充有玻璃微珠（1516），腔体（1515）与连接体（1512）之间设有前挡圈（1514）和O型圈（1519），腔体（1515）与出口座（1518）之间设有后挡圈（1517）和O型圈（1519），入口座（1511）与连接体（1512）之间设有O型圈（1519）。
7.根据权利要求1所述的盾构机用流体多功能试验台，其特征在于：所述刀盘喷口装置（19）设有两个刀盘喷口（193）和两个玻璃视镜（191），两个刀盘喷口（193）分别位于主轴（203）的两侧，一个玻璃视镜水平设置于搅拌容器（194）的外侧面上，另外一个玻璃视镜与水平设置的玻璃视镜之间的夹角为100°~140°。
8.根据权利要求7所述的盾构机用流体多功能试验台，其特征在于：所述主轴（203）与搅拌容器（194）之间采用迷宫式机械密封+Y型密封+O型圈组合式主轴密封方式。
9.根据权利要求1所述的盾构机用流体多功能试验台，其特征在于：所述水系统包括清水箱（6）和水泵（7）；清水箱（6）、泡沫原液箱（8）、泡沫混合液箱（10）、膨润土搅拌箱（4）和收集箱（21）均安装有液位开关（211）。
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