CN108548625A - 一种机械器具与土体间摩擦扭矩测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于地下工程施工领域，具体涉及一种机械器具与土体间摩擦扭矩测量装置及测量方法，包括基座、反力架、动力机构与试验机构；反力架的下端安装于基座上；试验机构包括装土箱、承压板、千斤顶与转盘；装土箱安装于基座上；千斤顶设于反力架上，承压板安装于千斤顶的下端；转盘设于装土箱中，并能在动力机构的带动下转动；动力机构包括可调速电机、联轴器与转轴；可调速电机设于基座中；转轴的一端传动连接于可调速电机的输出端；转轴的另一端固定连接转盘。本申请通过控制转盘转速并且读取稳定电流值，从而得到土体摩擦扭矩，评价改良后土体的摩擦扭矩性能。

Description

一种机械器具与土体间摩擦扭矩测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于地下工程施工领域，具体涉及一种机械器具与土体间摩擦扭矩测量装置及测量方法，可应用于土体改良室内试验中土体摩擦扭矩的性能测定。

背景技术

在地下工程的施工过程中，施工机械器具与土体相互作用时会产生摩擦作用，土体与机具等之间的摩擦、搅拌扭矩会对施工机械或材料的选型和施工效率有着较大的影响。例如盾构机在施工过程中，盾壳、刀盘和螺旋出土器都会与土体产生摩擦，在地质条件不佳的地层(砂、卵石地层)中会出现刀具扭矩过大，刀具磨损严重等情况。在施工时便需要得到较为准确的土体摩擦扭矩，以便进行室内土体改良试验并且设定相关施工参数。下面以土体与土压平衡盾构刀盘间摩擦扭矩的测量为例，论述土体摩擦扭矩测量的重要意义。

土压平衡盾构是通过控制掘进速度和压力舱中控制渣土的排放速度来调节压力舱的压力，从而平衡开挖面的土水压力。在盾构机掘进过程中，通过盾构机的掘进速度来控制盾前土体的开挖量，同时控制螺旋排土器的转速来控制舱土的排放量，当开挖量和排土量保持一致时，盾构机才能进行正常的施工而不会出现超挖或欠挖等现象，进而影响地层稳定性，也就保证了施工的质量。因此，在土压盾构机施工过程中经切削进入压力舱的土体必须满足塑性流动状态，即较低的渗透性、良好的流动性、较小的摩擦系数和扭矩。故土体摩擦扭矩过大将导致土压盾构机在施工过程中舱土出现结饼、土舱闭塞和喷涌等三种导致施工无法正常进行的事故。

土体改良技术是指在切削下来的渣土中加入添加剂从而改良土体的力学性质，使其达到塑性流动状态，进而解决盾构机在施工过程中出现的结饼、土舱闭塞和喷涌等问题。因此，无论是未改良前的掘削渣土，还是改良后的土体，都需要进行土体与盾构机具等之间的摩擦扭矩的测量。然而，目前学术界和工程界还没有统一公认的用于机械器具与土体间摩擦扭矩的测量装置和方法。

发明内容

本发明提供一种机械器具与土体间摩擦扭矩测量装置及测量方法，本申请通过控制转盘转速并且读取稳定电流值，从而得到土体摩擦扭矩，评价改良后土体的摩擦扭矩性能，进而可以优化土体改良的添加剂配比，改善盾构机在不良土层中的施工。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为，一种机械器具与土体间摩擦扭矩测量装置，包括基座、反力架、动力机构与试验机构；反力架的下端安装于基座上；

试验机构包括装土箱、承压板、千斤顶与转盘；装土箱安装于基座上；千斤顶设于反力架上，承压板安装于千斤顶的下端；承压板对应于装土箱的上方，并能在千斤顶的带动下沿装土箱进行向上或向下运动；转盘设于装土箱中，并能在动力机构的带动下转动；

动力机构包括可调速电机、联轴器与转轴；可调速电机设于基座中；转轴的一端传动连接于可调速电机的输出端；转轴的另一端固定连接于转盘。

作为本发明改进的技术方案，还包括电流表，电流表接入可调速电机的电路中，用于监测可调速电机的电流。

作为本发明改进的技术方案，还包括轴承、基座的顶部设有转轴通过的孔，轴承安装于孔处，转轴穿过轴承后连接于转盘。

作为本发明改进的技术方案，所述装土箱采用不锈钢材料制备而成。

作为本发明改进的技术方案，装土箱的底部设有供转轴通过的洞口。

作为本发明改进的技术方案，转盘采用的是盾构面板式刀盘或条幅式刀盘。

本发明的另一目的是提供一种机械器具与土体间摩擦扭矩测量装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤一、设速：将可调速电机连接于外部电源，调节可调速电机的转动，确保开始实验时可调速电机转速为n的基本值，可调节电机带动转盘转动，待转盘转动稳定后，记录电流表读数I₁；断开电源；

步骤二、装样：在装土箱中装土待测土样，保证待测土样的高度高于转盘3cm，并将待测土样抹平，保证待测土样与承压板接触的一面光滑；

步骤三、加压：调节千斤顶，千斤顶带动承压板施加压力于待测土样，模拟土压；

步骤四、读数：调节可调速电机的转速调至n，转盘开始转动，待转盘转速稳定后，记录此时电流表稳定读数I₂。

步骤五、计算：装土箱中装满土样后，转盘转动稳定时的转速n，电流表稳定读数I₁、I₂，对于外接电路电压为U的情况下，土样消耗搅拌功率P为搅拌功率；在转速n一定时，角速度计算土体摩擦扭矩

有益效果

本发明装置及方法，用来测量土体摩擦扭矩，以此算得土体改良前后土体的摩擦扭矩，利于施工；

该装置结构精巧、受环境影响小、结果稳定可靠、操作简便、实用性强，能够较准确地测量土体改良前后土体的摩擦扭矩，可为室内试验人员或现场技术人员提供可靠的实验结果。

另外，本申请可实时记录搅拌过程中电流的变化情况，以便于不同添加剂对于土体改良前后摩擦扭矩的测量。

综上，相对于现有技术中的测量装置，本申请装置结构简单，精准度更高。

附图说明

图1本申请测量装置的结构示意图；

图2本申请测量装置中动力机构电动机结构示意图；

图3本申请测量装置中动力传动机构可更替转盘为条幅式刀盘的结构示意图；

图4本申请测量装置中动力传动机构可更替转盘为面板式刀盘的结构示意图；

图中，10、试验架；11、反力架；12、千斤顶；13、承压板；14、装土箱；15、基座；16、开关；17、电流表；20、动力机构；21、可调速电机；22、联轴器；23、转轴；24、转盘。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本申请实施例对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

如图1-2所示，一种机械器具与土体间摩擦扭矩测量装置，包括试验架10和动力机构20；

试验架10包括基座15、反力架11与试验机构；反力架11的下端通过螺栓连接于基座15上；在本实施例中，基座15高20cm，长40cm，宽40m，材料为不锈钢。

试验机构包括装土箱14、承压板13、千斤顶12与转盘24；装土箱14安装于基座15上，本实施例中装土箱14焊接于基座15上；千斤顶12设于反力架11上，承压板13安装于千斤顶12的下端；承压板13对应于装土箱14的上方，并能在千斤顶12的带动下沿装土箱14进行向上或向下运动；转盘24设于装土箱14中，并能在动力机构20的带动下转动；装土箱14尺寸为200mm×200mm×100mm，其内与转轴23相连的转盘24为半径75mm的圆盘，或者，如图3-4所示，转盘24采用的是盾构面板式刀盘或条幅式刀盘；所述的装土箱14与转盘24皆为不锈钢材料。

动力机构20包括可调速电机21、联轴器22与转轴23；可调速电机21设于基座15中；转轴23的一端通过联轴器22传动连接于可调速电机21的输出端；转轴23的另一端通过销轴连接于转盘24上；为了方便转轴23与转盘24的连接，装土箱14的底部设有供转轴23通过的洞口；可调速电机21采用开关16控制；为了减少摩擦，还包括轴承、基座15的顶部设有转轴23通过的孔，轴承安装于孔处，转轴23穿过轴承后连接于转盘24；点击开关16后，电动机运作，带动转轴23转动实现转盘24转动。

还包括电流表17，电流表17接入可调速电机21的电路中，用于监测可调速电机21的电流。电流表17准确度等级为0.5级。本实施例中电动机最高转速为18-20转/分钟。

本发明的另一目的在于提供一种机械器具与土体间摩擦扭矩测量装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤一、设速：接通电源，打开调速钮至一定转速，确保开始实验时转速n的基本值，待其转动稳定后，记录电流表17读数I₁；

步骤二、装样：在装土箱14中装土待测土样，土样高度高于转盘243cm，并将土样抹平，保证土样与千斤顶12接触的一面光滑；

步骤三、加压：调节千斤顶12，施加压力于待测土样，模拟土压；

步骤四、读数：接通电源，打开调速钮至同样转速n，转盘24开始转动，待其转速稳定后，记录此时电流表17稳定读数I₂。

步骤五、计算：装土箱14中装满土样后，转盘24转动稳定时的转速n，电流表17稳定读数I₁、I₂，对于外接电路U电压情况下，土样消耗搅拌功率在转速n一定时，角速度计算土体摩擦扭矩

具体地，使用时，先将测量装置放置水平，然后打开电源，打开可调速电机21的调速钮至一定转速n，待其转动稳定后，记录电流表17读数I₁，关闭电源。然后在装土箱14中装满待测土样，将土样抹平，保证土样与千斤顶12接触的一面光滑，调节千斤顶12并向待测土样施加压力以模拟土压力。然后再次启动电源，打开调速钮至同一转速n，可调速电机21带动转盘24使其单向转动，直到转盘24转速稳定，同时电路中电流达到稳定，读出此时电流表17稳定读数I₂，读数时应保证视线与电流表17指针和刻度盘的垂直，对于外界电路U的电压情况下，土样消耗搅拌功率在转速n一定时，角速度计算土体摩擦扭矩每组实验做3～5个同种试样并求平均值。

上述测量装置并不仅局限于测量土体与土压盾构机具间的摩擦扭矩，上述具体实施方式也仅为本发明的优选方式，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳作而做出的变化，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种机械器具与土体间摩擦扭矩测量装置，其特征在于，包括基座、反力架、动力机构与试验机构；反力架的下端安装于基座上；

试验机构包括装土箱、承压板、千斤顶与转盘；装土箱安装于基座上；千斤顶设于反力架上，承压板安装于千斤顶的下端；承压板对应于装土箱的上方，并能在千斤顶的带动下沿装土箱进行向上或向下运动；转盘设于装土箱中，并能在动力机构的带动下转动；

动力机构包括可调速电机、联轴器与转轴；可调速电机设于基座中；转轴的一端传动连接于可调速电机的输出端；转轴的另一端固定连接于转盘。

2.根据权利要求1所述的一种机械器具与土体间摩擦扭矩测量装置，其特征在于，还包括电流表，电流表接入可调速电机的电路中，用于监测可调速电机的电流。

3.根据权利要求1所述的一种机械器具与土体间摩擦扭矩测量装置，其特征在于，还包括轴承、基座的顶部设有转轴通过的孔，轴承安装于孔处，转轴穿过轴承后连接于转盘。

4.根据权利要求1所述的一种机械器具与土体间摩擦扭矩测量装置，其特征在于，所述装土箱采用不锈钢材料制备而成。

5.根据权利要求1所述的一种机械器具与土体间摩擦扭矩测量装置，其特征在于，装土箱的底部设有供转轴通过的洞口。

6.根据权利要求1所述的一种机械器具与土体间摩擦扭矩测量装置，其特征在于，转盘采用的是盾构面板式刀盘或条幅式刀盘。

7.根据权1-6任一所述的一种机械器具与土体间摩擦扭矩测量装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤一、设速：将可调速电机连接于外部电源，调节可调速电机的转动，确保开始实验时可调速电机转速为n的基本值，可调节电机带动转盘转动，待转盘转动稳定后，记录电流表读数I₁；断开电源；

步骤二、装样：在装土箱中装土待测土样，保证待测土样的高度高于转盘3cm，并将待测土样抹平，保证待测土样与承压板接触的一面光滑；

步骤三、加压：调节千斤顶，千斤顶带动承压板施加压力于待测土样，模拟土压；

步骤四、读数：调节可调速电机的转速调至n，转盘开始转动，待转盘转速稳定后，记录此时电流表稳定读数I₂。

步骤五、计算：装土箱中装满土样后，转盘转动稳定时的转速n，电流表稳定读数I₁、I₂，对于外接电路电压为U的情况下，土样消耗搅拌功率P为搅拌功率；在转速n一定时，角速度计算土体摩擦扭矩