CN109084921B - 一种顶管机用管节摩阻力检测试验台及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种顶管机用管节摩阻力检测试验台及检测方法，试验台包括支架，支架上部固定有腔体，腔体两端均连接有密封座，模拟管节穿过密封座和腔体，模拟管一端与扭矩检测组合件连接，腔体上部设有注浆球阀，腔体下部设有排浆球阀，腔体圆周上设有加压球阀，加压球阀与高压气动源通过软管连接，腔体圆周上设有压力表。本发明不仅可以模拟检测触变泥浆与管节摩阻力，同时兼具测试不同配比触变泥浆与平均摩阻力之间的相关关系、测试不同粗糙度管节与平均摩阻力之间的相关关系。通过调整触变泥浆的配比、注浆压力、管节粗糙度来降低触变泥浆与管节之间的摩阻力，为顶推油缸的选取提供精确的数据支撑。
Description
技术领域
本发明涉及顶管施工技术领域，特别涉及一种顶管机用管节摩阻力检测试验台及检测方法。
背景技术
顶管机施工以其非明挖性、掘进速度快、施工安全、对周围环境影响较小、噪音小等优势，被广泛的用于给水排水、电力通信、油气等市政和能源管线施工中。顶管机施工是在其盾体系统的支护下，通过开挖系统切削土体，并利用工作井内顶推系统推动顶管机和管节前进，从而达到铺设管道的目的，其中顶推装置所要克服的阻力主要来源于两个方面：1、掘进时土体给刀盘的作用力，即顶管机掘进时的迎面阻力；2、隧道周围土体对顶管机和管道外壁的摩阻力。
首先顶管机掘进时的迎面阻力可通过相应的计算公式进行相对准确计算，而周围土体对顶管机和管道外壁的摩阻力在计算时需考虑触变泥浆的影响，多依据经验计算，而经验计算出的摩阻力值偏差较大，为弥补偏差，往往在选取顶推油缸时，会将油缸顶推力安全系数选取较大值，这样势必会造成大马拉小车的局面，导致不必要的浪费。故而触变泥浆与管节摩阻力检测具有十分必要的工程意义。
此外，目前国内外并无对触变泥浆与管节摩阻力检测的装置，只有通过施工过程中才知道触变泥浆与管节的摩阻力大小，若遇到现场摩阻力较大的情况，需增配油缸，不仅延误工期，更会消耗大量资金。因此需要开发一种成本较低，适用性广，操作简便，且能模拟检测触变泥浆与管节摩阻力的试验装置。
为解决上述问题，一种新型试验装置亟需被提供。
发明内容
针对于上述背景技术中所述的不足，本发明提出一种触变泥浆与管节摩阻力检测装置，能够解决经验计算摩阻力值偏差较大的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种顶管机用管节摩阻力检测试验台，包括支架，支架上部固定有腔体，腔体两端均连接有密封座，模拟管节穿过密封座和腔体，模拟管一端与扭矩检测组合件连接，腔体上部设有注浆球阀，腔体下部设有排浆球阀，腔体圆周上设有加压球阀，加压球阀与高压气动源通过软管连接，腔体圆周上设有压力表。
所述模拟管节包括工作管和密封管，工作管两端均连接有密封管，工作管和密封管为可拆卸连接，密封管一端封闭，密封管的封闭端与工作管连接，密封管与密封座配合，工作管置于腔体中，工作管一端的密封管与扭矩检测组合件连接。
所述扭矩检测组合件包括扭矩板和驱动装置，模拟管节一端与扭矩板连接，扭矩板与驱动装置可拆卸连接。
所述驱动装置为扭矩扳手，扭矩扳手为数显扭力扳手。
所述驱动装置为驱动电机，驱动电机和扭转传感器连接，扭转传感器与计算机连接。
所述密封管与密封座之间设有耐磨环、防尘环和回转密封圈，工作管和密封管之间设有密封件一。腔体与密封座之间设有密封件二。
一种顶管机用管节摩阻力检测试验台的检测方法，包括如下步骤：
S1、将工作管与密封管连接，工作管置于腔体中，密封管置于密封座中；
S2、打开驱动装置，读出并记录空载扭矩值M 0；
S3、停止驱动装置，打开注浆球阀，向腔体中注入触变泥浆，注浆完成后关闭注浆球阀；
S4、打开加压球阀、高压气动源，向腔体中充入高压气体，观察压力表，充气结束后，关闭加压球阀、高压气动源，记录压力值P；
S5、再次打开驱动装置，读出并记录扭矩值M i；
S6、依公式F i=(M i-M 0)/R，f i=F i/S计算出并记录平均摩阻力f i，其中，F i为第i次试验时的摩阻力；R为工作管节半径；f i为平均摩阻力；S为工作管节外表面积；
S7、按试验次数需求，重复步骤1-6。
所述步骤S1中不更换工作管，工作管的表面粗糙度不变；步骤S3中注入触变泥浆的配比不变；步骤S4中改变压力值P，压力值P的值为0.1、0.2、0.3、……5MPa；其他步骤相同；测试结束后，绘制平均摩阻力f i与触变泥浆压力P的关系曲线。
所述步骤S1中不更换工作管，工作管的表面粗糙度不变；步骤S3中注入不同配比的触变泥浆；步骤S4中保持压力值P不变；其他步骤相同；测试结束后，绘制平均摩阻力f i与不同触变泥浆配比的关系曲线。
所述步骤S1中更换工作管，工作管的表面粗糙度改变；步骤S3中注入触变泥浆的配比不变；步骤S4中保持压力值P不变；其他步骤相同；测试结束后，绘制平均摩阻力f i与工作管表面粗糙度的关系曲线。
本方案的有益效果是：本发明不仅可以模拟检测触变泥浆与管节摩阻力，同时兼具测试不同配比触变泥浆与平均摩阻力之间的相关关系、测试不同粗糙度管节与平均摩阻力之间的相关关系；通过调整触变泥浆的配比、注浆压力、管节粗糙度来降低触变泥浆与管节之间的摩阻力，为顶推油缸的选取提供精确的数据支撑。此装置操作简单，价格便宜，是十分理想的一种模拟触变泥浆与管节摩阻力检测装置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的主视图；
图2为图1的右视图；
图3为图1的A处的局部放大图。
图中：1-腔体、2-密封座、201-密封件二、202-耐磨环、203-防尘环、204-回转密封圈、205-密封件一、3-扭矩检测组合件、301-扭矩板、302-驱动装置、401-加压球阀、402-高压气动源、5-压力表、6-模拟管节、601-工作管、602-密封管、701-注浆球阀、702-排浆球阀、8-支架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图3所示，实施例1，一种顶管机用管节摩阻力检测试验台，包括支架8，支架8上部固定有腔体1，腔体1两端均连接有密封座2，腔体1与密封座2通过螺栓连接，模拟管节6穿过密封座2和腔体1，模拟管节6一端与扭矩检测组合件3连接，模拟管节6与扭矩检测组合件3为可拆卸连接，启动扭矩检测组合件3，扭矩检测组合件3会产生旋转，从而带动模拟管节6旋转，通过模拟管节6的旋转运动模拟实际顶管施工中的直线运动，实现管道外壁与触变泥浆摩擦阻力的测试功能。
腔体1上部设有通孔一，通孔一中连接有注浆球阀701，打开注浆球阀701，可向腔体1中注入触变泥浆，腔体1下部设有通孔二，通孔二中连接有排浆球阀702，打开排浆球阀702，可将腔体1中的触变泥浆排出，腔体1圆周上设有通孔三，通孔三中连接有加压球阀401，加压球阀401与高压气动源402通过软管连接，高压气动源402可为空气压缩机或惰性气体罐，打开加压球阀401与高压气动源402，可向腔体1中充入高压气体，腔体1圆周上设有通孔四，通孔四中连接有压力表5，可通过观察压力表5，确定腔体1中的压力值P。注浆球阀701、排浆球阀702、加压球阀401和压力表5与腔体1中的通孔均通过螺纹连接。
实施例2，一种顶管机用管节摩阻力检测试验台，包括支架8，支架8上部固定有腔体1，腔体1两端均连接有密封座2，模拟管节6穿过密封座2和腔体1，所述模拟管节6包括工作管601和密封管602，工作管601两端均连接有密封管602，工作管601和密封管602为可拆卸连接，密封管602一端封闭，密封管602的封闭端与工作管601连接，密封管602与密封座2配合，工作管601置于腔体1中，工作管601一端的密封管602与扭矩板301连接，扭矩板301与扭矩扳手为可拆卸连接，旋转扭矩扳手，带动模拟管节6旋转，扭矩扳手为数显扭力扳手，可以直接读出扭矩值。
腔体1上部设有通孔一，通孔一中连接有注浆球阀701，打开注浆球阀701，可向腔体1中注入触变泥浆，腔体1下部设有通孔二，通孔二中连接有排浆球阀702，打开排浆球阀702，可将腔体1中的触变泥浆排出，腔体1圆周上设有通孔三，通孔三中连接有加压球阀401，加压球阀401与高压气动源402通过软管连接，高压气动源402可为空气压缩机或惰性气体罐，打开加压球阀401与高压气动源402，可向腔体1中充入高压气体，腔体1圆周上设有通孔四，通孔四中连接有压力表5，可通过观察压力表5，确定腔体1中的压力值P。注浆球阀701、排浆球阀702、加压球阀401和压力表5与腔体1中的通孔均通过螺纹连接。
所述密封管602与密封座2之间设有耐磨环202、防尘环203和回转密封圈204，密封管602与密封座2接触面之间从密封管602的外端向内依次设有防尘环203、回转密封圈204、耐磨环202、回转密封圈204。工作管601和密封管602之间设有密封件一205。所述腔体1与密封座2之间设有密封件二201，使腔体1内部形成密闭的空间，防止泥浆进入模拟管节6。
实施例3，一种顶管机用管节摩阻力检测试验台，包括支架8，支架8上部固定有腔体1，腔体1两端均连接有密封座2，模拟管节6穿过密封座2和腔体1，所述模拟管节6包括工作管601和密封管602，工作管601两端均连接有密封管602，工作管601和密封管602为可拆卸连接，密封管602一端封闭，密封管602的封闭端与工作管601连接，密封管602与密封座2配合，工作管601置于腔体1中，工作管601一端的密封管602与扭矩板301连接，扭矩板301与驱动电机连接，驱动连接与扭转传感器连接，扭转传感器与计算机连接，打开驱动电机，带动模拟管节6旋转，通过扭转传感器和计算机，可以读出扭矩值。
腔体1上部设有通孔一，通孔一中连接有注浆球阀701，打开注浆球阀701，可向腔体1中注入触变泥浆，腔体1下部设有通孔二，通孔二中连接有排浆球阀702，打开排浆球阀702，可将腔体1中的触变泥浆排出，腔体1圆周上设有通孔三，通孔三中连接有加压球阀401，加压球阀401与高压气动源402通过软管连接，高压气动源402可为空气压缩机或惰性气体罐，打开加压球阀401与高压气动源402，可向腔体1中充入高压气体，腔体1圆周上设有通孔四，通孔四中连接有压力表5，可通过观察压力表5，确定腔体1中的压力值P。注浆球阀701、排浆球阀702、加压球阀401和压力表5与腔体1中的通孔均通过螺纹连接。
所述密封管602与密封座2之间设有耐磨环202、防尘环203和回转密封圈204，密封管602与密封座2接触面之间从密封管602的外端向内依次设有防尘环203、回转密封圈204、耐磨环202、回转密封圈204。工作管601和密封管602之间设有密封件一205。所述腔体1与密封座2之间设有密封件二201，使腔体1内部形成密闭的空间，防止泥浆进入模拟管节6。
实施例4，一种顶管机用管节摩阻力检测试验台，包括支架8，支架8上部固定有腔体1，腔体1两端均连接有密封座2，模拟管节6穿过密封座2和腔体1，所述模拟管节6包括工作管601和密封管602，工作管601两端均连接有密封管602，工作管601和密封管602为可拆卸连接，密封管602一端封闭，密封管602的封闭端与工作管601连接，密封管602与密封座2配合，工作管601置于腔体1中，工作管601一端的密封管602与扭矩板301连接，扭矩板301与扭矩扳手为可拆卸连接，旋转扭矩扳手，带动模拟管节6旋转，扭矩扳手为数显扭力扳手，可以直接读出扭矩值。
腔体1上部设有通孔一，通孔一中连接有注浆球阀701，打开注浆球阀701，可向腔体1中注入触变泥浆，腔体1下部设有通孔二，通孔二中连接有排浆球阀702，打开排浆球阀702，可将腔体1中的触变泥浆排出，腔体1圆周上设有通孔三，通孔三中连接有加压球阀401，加压球阀401与高压气动源402通过软管连接，高压气动源402可为空气压缩机或惰性气体罐，打开加压球阀401与高压气动源402，可向腔体1中充入高压气体，腔体1圆周上设有通孔四，通孔四中连接有压力表5，可通过观察压力表5，确定腔体1中的压力值P。注浆球阀701、排浆球阀702、加压球阀401和压力表5与腔体1中的通孔均通过螺纹连接。
所述密封管602与密封座2之间设有耐磨环202、防尘环203和回转密封圈204，密封管602与密封座2接触面之间从密封管602的外端向内依次设有防尘环203、回转密封圈204、耐磨环202、回转密封圈204。工作管601和密封管602之间设有密封件一205。所述腔体1与密封座2之间设有密封件二201，使腔体1内部形成密闭的空间，防止泥浆进入模拟管节6。
顶管机用管节摩阻力检测试验台测试触变泥浆压力P与平均摩阻力f i之间的相关关系的检测方法为：
在不改变工作管601表面粗糙度、触变泥浆配比的前提下，通过改变高压气体压力P，来改变工作管601周围触变泥浆的压力，在不同压力下缓慢转动扭矩扳手并计数。顶管机用管节摩阻力检测试验台的检测步骤为：
S1、将工作管601与密封管602连接，工作管601置于腔体1中，密封管602置于密封座2中，不更换工作管601，工作管601的表面粗糙度保持不变；
S2、旋转扭矩扳手，读出空载扭矩值M 0，记录到附表1中；
S3、停止旋转扭矩扳手，打开注浆球阀701，向腔体1中注入触变泥浆，注浆完成后关闭注浆球阀701，触变泥浆配比保持不变；
S4、打开加压球阀401、高压气动源402，向腔体1中充入高压气体，观察压力表5，充气结束后，关闭加压球阀401、高压气动源402，记录压力值P；
S5、再次旋转扭矩扳手，读出扭矩值M i，记录到附表1中；
S6、依公式F i=(M i-M 0)/R，f i=F i/S计算出平均摩阻力f i，记录到附表1中；
其中：F i为第i次试验时的摩阻力；R为工作管节半径；f i为平均摩阻力；S为工作管节外表面积；
S7、每次检测保持工作管601表面粗糙度、触变泥浆配比不变，改变步骤S4中压力值P，依次取压力值P取值为0.1、0.2、0.3、……5MPa，每次递增0.1MPa按试验次数需求，重复步骤1-6；
S8、测试结束后，绘制平均摩阻力f i与触变泥浆压力P的关系曲线，根据所得的关系曲线，可以在曲线中得出某一触变泥浆压力值P下，管节所对应的平均摩阻力f i的值，从而根据具体的摩阻力值选取合适的顶推油缸。
实施例5，顶管机用管节摩阻力检测试验台测试触变泥浆配比与平均摩阻力f i之间的相关关系的检测方法为：
在不改变高压气体压力P、工作管601表面粗糙度的前提下，通过改变触变泥浆的配比来测试。顶管机用管节摩阻力检测试验台的检测步骤：
S1、将工作管601与密封管602连接，工作管601置于腔体1中，密封管602置于密封座2中，不更换工作管601；
S2、打开驱动电机和扭转传感器，扭转传感器与计算机连接，通过计算机读出空载扭矩值M 0，记录到附表1中；
S3、关闭驱动电机和扭转传感器，打开注浆球阀701，向腔体1中注入触变泥浆，注浆完成后关闭注浆球阀701；
S4、打开加压球阀401、高压气动源402，向腔体1中充入高压气体，观察压力表5，充气结束后，关闭加压球阀401、高压气动源402，记录压力值P，压力值P保持不变；
S5、再次打开驱动电机和扭转传感器，读出扭矩值M i，记录到附表1中；
S6、依公式F i=(M i-M 0)/R，f i=F i/S计算出平均摩阻力f i，记录到附表1中；
其中：F i为第i次试验时的摩阻力；R为工作管节半径；f i为平均摩阻力；S为工作管节外表面积；
S7、步骤S3中注入不同配比的触变泥浆，按试验次数需求，重复步骤1-6；触变泥浆的配比范围：触变泥浆中包含膨润土、纯碱、CMC和水，其中，膨润土配比范围为400~500g，纯碱配比范围为5~10g，CMC的配比范围为3~5g，水的配比范围为700~1000g。
S8、测试结束后，绘制平均摩阻力f i与不同触变泥浆配比的关系曲线，根据所得的关系曲线，可以通过该曲线得出在某种比例触变泥浆配比下，管节所对应的平均摩阻力f i的值，从而根据具体的摩阻力值选取合适的顶推油缸。
实施例6，顶管机用管节摩阻力检测试验台测试不同粗糙度工作管与平均摩阻力f i之间的相关关系的检测方法为：
在不改变高压气体压力P、触变泥浆配比的前提下，通过改变工作管601的表面粗糙度来测试。顶管机用管节摩阻力检测试验台的步骤：
S1、将工作管601与密封管602连接，工作管601置于腔体1中，密封管602置于密封座2中；
S2、旋转扭矩扳手，读出空载扭矩值M 0，记录到附表1中；
S3、停止旋转扭矩扳手，打开注浆球阀701，向腔体1中注入触变泥浆，注浆完成后关闭注浆球阀701；
S4、打开加压球阀401、高压气动源402，向腔体1中充入高压气体，观察压力表5，充气结束后，关闭加压球阀401、高压气动源402，记录压力值P；
S5、再次旋转扭矩扳手，读出扭矩值M i，记录到附表1中；
S6、依公式F i=(M i-M 0)/R，f i=F i/S计算出平均摩阻力f i，记录到附表1中；
其中：F i为第i次试验时的摩阻力；R为工作管节半径；f i为平均摩阻力；S为工作管节外表面积；
S7、步骤S1中更换工作管601，采用不同表面粗糙度的工作管601，按试验次数需求，重复步骤1-6。工作管601的粗糙度范围为6.3~25，工作管601的平整度范围为-5~+8。
S8、测试结束后，绘制平均摩阻力f i与工作管601表面粗糙度的关系曲线，根据所得的关系曲线，可以通过该曲线得出在某一种工作管601表面粗糙度下，管节所对应的平均摩阻力f i的值，从而根据具体的摩阻力值选取合适的顶推油缸。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种顶管机用管节摩阻力检测试验台，其特征在于：包括支架（8），支架（8）上部固定有腔体（1），腔体（1）两端均连接有密封座（2），模拟管节（6）穿过密封座（2）和腔体（1），模拟管节（6）一端与扭矩检测组合件（3）连接，腔体（1）上部设有注浆球阀（701），腔体（1）下部设有排浆球阀（702），腔体（1）圆周上设有加压球阀（401），加压球阀（401）与高压气动源（402）通过软管连接，腔体（1）圆周上设有压力表（5）；
所述模拟管节（6）包括工作管（601）和密封管（602），工作管（601）两端均连接有密封管（602），工作管（601）和密封管（602）为可拆卸连接，密封管（602）一端封闭，密封管（602）的封闭端与工作管（601）连接，密封管（602）与密封座（2）配合，工作管（601）置于腔体（1）中，密封管（602）的未封闭端与扭矩检测组合件（3）连接；
检测方法的步骤如下：
S1、将工作管（601）与密封管（602）连接，工作管（601）置于腔体（1）中，密封管（602）置于密封座（2）中；
S2、打开扭矩检测组合件（3）的驱动装置（302），读出并记录空载扭矩值M 0；
S3、停止扭矩检测组合件（3）的驱动装置（302），打开注浆球阀（701），向腔体（1）中注入触变泥浆，注浆完成后关闭注浆球阀（701）；
S4、打开加压球阀（401）、高压气动源（402），向腔体（1）中充入高压气体，观察压力表（5），充气结束后，关闭加压球阀（401）、高压气动源（402），记录压力值P；
S5、再次打开驱动装置（302），读出并记录扭矩值M i；
S6、依公式F i=(M i-M 0)/R，f i=F i/S计算出并记录平均摩阻力f i，其中，F i为第i次试验时的摩阻力；R为工作管节半径；f i为平均摩阻力；S为工作管节外表面积；
S7、按试验次数需求，重复步骤S1-S6。
2.根据权利要求1所述的顶管机用管节摩阻力检测试验台，其特征在于：所述扭矩检测组合件（3）包括扭矩板（301）和驱动装置（302），模拟管节（6）一端与扭矩板（301）连接，扭矩板（301）与驱动装置（302）可拆卸连接。
3.根据权利要求2所述的顶管机用管节摩阻力检测试验台，其特征在于：所述驱动装置（302）为扭矩扳手，扭矩扳手为数显扭力扳手。
4.根据权利要求2所述的顶管机用管节摩阻力检测试验台，其特征在于：驱动装置（302）为驱动电机，驱动电机和扭转传感器连接，扭转传感器与计算机连接。
5.根据权利要求1所述的顶管机用管节摩阻力检测试验台，其特征在于：所述密封管（602）与密封座（2）之间设有耐磨环（202）、防尘环（203）和回转密封圈（204），工作管（601）和密封管（602）之间设有密封件一（205）、腔体（1）与密封座（2）之间设有密封件二（201）。
6.根据权利要求1所述的顶管机用管节摩阻力检测试验台，其特征在于：所述步骤S1中不更换工作管（601），工作管（601）的表面粗糙度不变；步骤S3中注入触变泥浆的配比不变；步骤S4中改变压力值P，压力值P的值为0.1、0.2、0.3、……5MPa；其他步骤相同；测试结束后，绘制平均摩阻力f i与触变泥浆压力P的关系曲线。
7.根据权利要求1所述的顶管机用管节摩阻力检测试验台，其特征在于：所述步骤S1中不更换工作管（601），工作管（601）的表面粗糙度不变；步骤S3中注入不同配比的触变泥浆；步骤S4中保持压力值P不变；其他步骤相同；测试结束后，绘制平均摩阻力f i与不同触变泥浆配比的关系曲线。
8.根据权利要求1所述的顶管机用管节摩阻力检测试验台，其特征在于：所述步骤S1中更换工作管（601），工作管（601）的表面粗糙度改变；步骤S3中注入触变泥浆的配比不变；步骤S4中保持压力值P不变；其他步骤相同；测试结束后，绘制平均摩阻力f i与工作管（601）表面粗糙度的关系曲线。
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