CN109192042B - 一种全断面岩石掘进机换刀实验台 - Google Patents

Abstract

本发明属于全断面岩石掘进机掘进技术领域，一种全断面岩石掘进机换刀实验台，包括实验台刀盘机架、实验台中心体、实验台主梁和实验台底部机架。其简化了TBM中对换刀无影响的复杂结构，采用常见的型钢搭建主梁与刀盘部分，驱动源均采用电驱动，通过控制不同驱动源可实现滚刀极径、极角、偏转角的变化，从而通过一把滚刀实现刀盘各处滚刀位置与姿态的模拟，实验台刀盘机架1、实验台中心体2以及实验台主梁3之间的相对位置关系均通过实验台底座4的结构布置实现。利用此实验台可在实验层面实现TBM换刀机器人对TBM滚刀的更换，从而降低TBM换刀机器人在研制过程中的实验成本，为TBM换刀机器人的工程应用提供实验参考。

Description

一种全断面岩石掘进机换刀实验台

技术领域

本发明属于全断面岩石掘进机掘进技术领域，根据现有的全断面硬岩掘进机简称TBM刀盘与主梁内部特点，设计了一种全断面岩石掘进机换刀实验台，用以模拟TBM刀盘与主梁的内部环境。

背景技术

全断面硬岩掘进机TBM是国内外最先进的隧道施工方法之一。其主要通过刀盘滚刀与岩石面的挤压实现破岩掘进的目的，滚刀在TBM掘进过程中磨损十分严重，因此滚刀的更换是TBM掘进过程中必不可少的工序，且滚刀的更换时间占工程总时间比例极大，目前滚刀的更换方式多采用工人手工操作更换，更换时间受工人的经验影响极大，且由于TBM长期处于恶劣的工作环境，换刀工人的人身安全也很难得到保障。因此，研制出可由工人远程操作的机器人来替代人工换刀十分必要。

在机器人的研制过程中，实验过程必不可少，而实验台能否反应TBM刀盘内部与主梁内部的真实环境对于实验的成功与否十分重要，目前大多数有关TBM的实验都是在TBM的缩尺模型中完成，这极大的提高了实验的成本，为了减少换刀实验过程中的实验成本，研制出能真实反应TBM刀盘与主梁内部结构特点的实验台对于TBM换刀机器人的研制具有重要意义，而目前针对TBM内部结构特点设计的换刀实验台的国内外专利几乎没有。

发明内容

本发明是基于TBM主梁与刀盘的内部结构特点，发明了一种能够模拟TBM刀盘与主梁内部结构特点的全断面岩石掘进机换刀实验台。

本发明的技术方案：

一种全断面岩石掘进机换刀实验台，包括实验台刀盘机架1、实验台中心体2、实验台主梁3和实验台底部机架4；实验台所有驱动均采用电驱动，驱动装置主要为伺服电机与直流电机；实验台刀盘机架1与实验台中心体2间通过轴相连，实验台刀盘机架1、实验台主梁3、齿轮驱动电机2-1以及小齿轮2-3均通过螺栓与实验台底部机架4相连；实验台刀盘机架1、实验台中心体2以及实验台主梁3之间的相对位置关系均通过实验台底部机架4的结构布置实现；

所述的实验台刀盘机架1包括弧形导轨1-1、刀盘机架底板1-2、刀盘机架筋板1-3、刀盘机架立柱1-4、横梁立柱连接块1-5、刀盘机架横梁1-6、刀盘机架轴承支撑1-7和中心轴1-8；弧形导轨1-1用来限制实验台中心体2的轴向位移，避免因换刀时产生的轴向力使得实验台中心体2在轴向产生过大的变形，刀盘机架底板1-2、刀盘机架筋板1-3以及刀盘机架立柱1-4通过焊接连接，刀盘机架底板1-2上开有螺栓孔，以便与实验台底部机架4相连，刀盘机架筋板1-3对刀盘机架立柱1-4起支撑固定的作用，防止刀盘机架立柱1-4发生倾倒；刀盘机架立柱1-4与刀盘机架横梁1-6间的相对位置由横梁立柱连接块1-5确定，三者间通过螺栓连接，刀盘机架横梁1-6及其上载荷均由刀盘机架立柱1-4承担，刀盘机架立柱1-4与刀盘机架横梁1-6均采用标准H形钢，刀盘机架轴承支撑1-7与刀盘机架横梁1-6通过螺栓连接，中心轴1-8通过轴承安装于两刀盘机架轴承支撑1-7中，中心轴1-8上开有键槽1-8-1，以便与实验台中心体2连接，轴颈1-8-2用以实验台中心体2在中心轴1-8上的轴向定位；

所述的实验台中心体2包括齿轮驱动电机2-1、齿轮处联轴器2-2、小齿轮2-3、大齿轮2-4、中心体连接筋2-5、中心体框架2-6、滚珠丝杠伺服电机2-7、滚珠丝杠副2-8、滚珠丝杆螺母2-9、滚刀安装座2-10、大齿圈连接板2-11、滚刀偏转角调节电机2-12和中心体移动板2-13；齿轮驱动电机2-1通过齿轮处联轴器2-2与小齿轮2-3相连，以此驱动小齿轮2-3转动，小齿轮2-3与齿轮驱动电机2-1均通过其底部的螺栓孔与实验台底部机架4连接；小齿轮2-3通过齿轮啮合驱动大齿轮2-4进行转动，以此实现滚刀安装座2-10绕中心轴1-8转角的变化；大齿轮2-4采用局部齿设计，齿覆盖的范围依据实验台极角的变化度数决定；大齿轮2-4通过中心体连接筋2-5、大齿圈连接板2-11与中心体框架2-6相连，中心体连接筋2-5的数量依据大齿轮2-4的重量而定；中心体框架2-6为“门”字型框架结构，大齿圈连接板2-11用于连接中心体框架2-6底部与大齿轮2-4；中心体框架2-6的顶部设有中心轴安装孔，通过中心轴安装孔与中心轴1-8相连，滚珠丝杠伺服电机2-7通过螺栓与中心体框架2-6相连，通过其带动滚珠丝杠副2-8转动，进而驱动滚珠丝杆螺母2-9沿滚珠丝杠副2-8上下运动，滚珠丝杆螺母2-9通过中心体移动板2-13与滚刀安装座2-10固结在一起，从而实现滚刀安装座2-10在直径方向上的运动，滚刀安装座2-10用于安装正滚刀；滚刀偏转角调节电机2-12安装在中心体移动板2-13上，通过滚刀偏转角调节电机2-12的转动可实现滚刀安装座2-10偏转角的变化；

实验台主梁3包括主梁底板3-1、主梁筋板3-2、主梁立柱3-3、主梁后侧板3-4、主主梁前侧板3-5、主梁前段弧形板3-6、主梁前段支撑腿3-7、主梁前段底板3-8、主梁坡度调整板3-9、机器人安装孔3-10、运刀孔3-11和底板3-12；主梁底板3-1与主梁筋板3-2均通过焊接与主梁立柱3-3相连，主梁底板3-1上开有螺栓孔，以便与实验台底部机架4相连，主梁筋板3-2对主梁立柱3-3起加固作用，防止因外力过大致使主梁发生倾覆，主梁立柱3-3通过螺栓与底板3-12相连，底板3-12上设有运刀孔3-11，以便滚刀的运送，底板3-12通过螺栓与主梁后侧板3-4相连，两主梁后侧板3-4与上下两底板3-12围成筒体结构；主梁后侧板3-4上设有机器人安装孔3-10与主梁坡度调整板3-9，机器人安装孔3-10用于安装实验用换刀机器人，主梁坡度调整板3-9用调整主梁底部的倾斜角，以适应不同TBM主梁的结构形式，主主梁前侧板3-5通过螺栓与主梁后侧板3-4相连，主梁前段弧形板3-6通过螺栓与主主梁前侧板3-5相连，主主梁前侧板3-5与主梁前段弧形板3-6均起到模拟TBM主梁内部空间的功能，主梁前段弧形板3-6下方通过螺栓与主梁前段支撑腿3-7相连，主梁前段支撑腿3-7对主梁前段弧形板3-6起支撑作用，以减少主梁前段弧形板3-6的变形；主梁前段支撑腿3-7底部焊接有主梁前段底板3-8与主梁筋板3-2，主梁前段底板3-8上设有螺栓孔，用于连接实验台底部机架4，其中主梁立柱3-3与主梁前段支撑腿3-7均为标准H形钢；

实验台底部机架4包括底部机架前横板4-1、底部机架右侧内板4-2、底部机架主梁支撑板4-3、后横板连接孔4-4、底部机架后横板4-5、底部机架左侧内板4-6、底部机架外板4-7、电机右机架4-8、电机底座4-9、电机左机架4-10、底部机架立柱安装孔4-11、小齿轮底座4-12、小齿轮机架4-13和支撑腿安装孔4-14；实验台底部机架4主要起到定位的作用，实验台主梁3、实验台中心体2与实验台刀盘机架1间的相对位置均通过实验台底部机架4进行定位；底部机架前横板4-1与底部机架主梁支撑板4-3共同作为实验台主梁3的底部基座，底部机架前横板4-1上设置有主梁安装孔4-14与实验台主梁3相连，底部机架前横板4-1与底部机架主梁支撑板4-3间通过焊接连接在一起，底部机架后横板4-5上设有后横板连接孔4-4，通过螺栓将底部机架后横板4-5与底部机架主梁支撑板4-3相连；底部机架右侧内板4-2与底部机架外板4-7对刀盘机架立柱1-4起定位作用，其上设有底部机架立柱安装孔4-11，用于与刀盘机架立柱1-4相连；底部机架左侧内板4-6与底部机架外板4-7作用相同，也用于安装刀盘机架立柱1-4，除此外，底部机架左侧内板4-6上安装有电机左机架4-10，底部机架前横板4-1上通过螺栓与电机底座4-9相连，电机底座4-9与电机右机架4-8通过螺栓相连，电机右机架4-8与电机左机架4-10共同作为齿轮驱动电机2-1的定位机架，底部机架左侧内板4-6右侧连接有小齿轮底座4-12，小齿轮底座4-12通过螺栓与小齿轮机架4-13相连，小齿轮机架4-13通过螺栓与小齿轮2-3相连，对小齿轮2-3起定位作用。

本发明的有益效果：本发明针对TBM主梁与刀盘的结构特点，结合刀盘滚刀的布置与运动规律，设计了一种模拟TBM刀盘与主梁内部环境的换刀实验台，其简化了TBM中对换刀无影响的复杂结构，采用常见的型钢搭建主梁与刀盘部分，驱动源均采用电驱动，通过控制不同驱动源可实现刀盘滚刀位置与姿态的变化，从而通过一把滚刀实现刀盘各处滚刀位置与姿态的模拟，利用此实验台可在实验层面实现TBM换刀机器人对TBM滚刀的更换，从而降低TBM换刀机器人在研制过程中的实验成本，为TBM换刀机器人的工程应用提供实验参考。

附图说明

图1是换刀实验台示意图。

图2是实验台刀盘机架1示意图。

图3是实验台刀盘机架1正视图。

图4是刀盘机架立柱1-4、横梁立柱连接块1-5、刀盘机架横梁1-6间连接示意图。

图5是横梁立柱连接块1-5示意图。

图6是中心轴1-8示意图

图7是实验台中心体2示意图。

图8是实验台中心体2正视图。

图9是实验台主梁3示意图。

图10是实验台主梁3侧面剖面图。

图11是实验台主梁3上视图。

图12是实验台底部机架4示意图。

图13是实验台底部机架4正视图。

图14(a)和图14(b)是滚刀安装座2-10偏转角的变化示意图。

图15(a)和图15(b)是滚刀安装座2-10极径变化示意图。

图16(a)和图16(b)是滚刀安装座2-10极角变化示意图。

图中：1实验台刀盘机架；2实验台中心体；3实验台主梁；4实验台底部机架；1-1弧形导轨；1-2刀盘机架底板；1-3刀盘机架筋板；1-4刀盘机架立柱；1-5横梁立柱连接块；1-6刀盘机架横梁；1-7刀盘机架轴承支撑；1-8中心轴；2-1齿轮驱动电机；2-2齿轮处联轴器；2-3小齿轮；2-4大齿轮；2-5中心体连接筋；2-6中心体框架；2-7滚珠丝杠伺服电机；2-8滚珠丝杠副；2-9滚珠丝杆螺母；2-10滚刀安装座；2-11大齿圈连接板；2-12滚刀偏转角调节电机；2-13中心体移动板；3-1主梁底板；3-2主梁筋板；3-3主梁立柱；3-4主梁后侧板；3-5主梁前侧板；3-6主梁前段弧形板；3-7主梁前段支撑腿；3-8主梁前段底板；3-9主梁坡度调整板；3-10机器人安装孔；3-11运刀孔；3-12底板；4-1底部机架前横板；4-2底部机架右侧内板；4-3底部机架主梁支撑板；4-4底部机架后横板；4-5后横板连接孔；4-6底部机架左侧内板；4-7底部机架外板；4-8电机右机架；4-9电机底座；4-10电机左机架；4-11底部机架立柱安装孔；4-12小齿轮底座；4-13小齿轮机架；4-14支撑腿安装孔；1-8-1键槽；1-8-2轴颈。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明的主要目的为模拟TBM刀盘与主梁的内部环境，其中TBM主梁上半部分为皮带输送机，因此实验台主梁3只模拟了TBM真实主梁的下半部分，而实际的TBM滚刀更换只在TBM下半刀盘进行，因此实验台的刀盘部分也只模拟了TBM的下半部分刀盘。为了减少实验台中滚刀的使用量，本发明只设计有一把滚刀，通过改变滚刀的极径、极角、偏转角来模拟半面刀盘上的所有滚刀。以下结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。

为模拟不同主梁底板斜角的TBM主梁，在主梁后侧板3-4上设有主梁坡度调整板3-9，通过调整主梁坡度调整板3-9与主梁底板3-12间的角度来实现不同主梁底板斜角TBM主梁的模拟。

在调整好主梁后底部斜角后，通过机器人安装孔3-10将换刀机器人固定在实验台主梁3中，固定好换刀机器人后，通过调节滚刀的极径、极角、偏转角来模拟所要更换的目标滚刀。

滚刀偏转角的变化，通过驱动滚刀偏转角调节电机2-12使得滚刀安装座2-10自转，由于滚刀模型安装于滚刀安装座2-10中，因此滚刀将随滚刀安装座2-10一同转动。滚刀偏转角的变化示意图如图14(a)和图14(b)所示。

滚刀极径的变化，通过驱动滚珠丝杠伺服电机2-7使得滚珠丝杠副2-8发生转动，从而带动滚珠丝杆螺母2-9沿滚珠丝杠副2-8上下移动，而滚珠丝杆螺母2-9与滚刀安装座2-10通过中心体移动板2-13连接在一起，因此滚刀安装座2-10也将沿滚珠丝杠副2-8进行上下移动，进而实现滚刀极径的变化，滚刀极径的变化示意图如图15(a)和图15(b)所示。

滚刀极角的变化，通过驱动齿轮驱动电机2-1带动小齿轮2-3转动，小齿轮2-3与大齿轮2-4啮合，大齿轮2-4与小齿轮2-3保持一定传动比一同转动。大齿轮2-4通过中心体连接筋2-5与大齿圈连接板2-11和中心体框架相连2-6，故大齿轮2-4的转动将带动中心体框架相连2-6的转动，从而实现滚刀极角的变化。滚刀极角的变化示意图如图16(a)和图16(b)所示。

调整完成滚刀位置与姿态后，即可控制机器人对目标滚刀进行更换，更换完成后通过运刀孔3-11将目标滚刀运出。

Claims (1)

1.一种全断面岩石掘进机换刀实验台，其特征在于，所述的全断面岩石掘进机换刀实验台包括实验台刀盘机架(1)、实验台中心体(2)、实验台主梁(3)和实验台底部机架(4)；实验台所有驱动均采用电驱动，驱动装置主要为伺服电机与直流电机；实验台刀盘机架(1)与实验台中心体(2)间通过轴相连，实验台刀盘机架(1)、实验台主梁(3)、齿轮驱动电机(2-1)以及小齿轮(2-3)均通过螺栓与实验台底部机架(4)相连；实验台刀盘机架(1)、实验台中心体(2)以及实验台主梁(3)之间的相对位置关系均通过实验台底部机架(4)的结构布置实现；

所述的实验台刀盘机架(1)包括弧形导轨(1-1)、刀盘机架底板(1-2)、刀盘机架筋板(1-3)、刀盘机架立柱(1-4)、横梁立柱连接块(1-5)、刀盘机架横梁(1-6)、刀盘机架轴承支撑(1-7)和中心轴(1-8)；弧形导轨(1-1)用来限制实验台中心体(2)的轴向位移，避免因换刀时产生的轴向力使得实验台中心体(2)在轴向产生过大的变形，刀盘机架底板(1-2)、刀盘机架筋板(1-3)以及刀盘机架立柱(1-4)通过焊接连接，刀盘机架底板(1-2)上开有螺栓孔，以便与实验台底部机架(4)相连，刀盘机架筋板(1-3)对刀盘机架立柱(1-4)起支撑固定的作用，防止刀盘机架立柱(1-4)发生倾倒；刀盘机架立柱(1-4)与刀盘机架横梁(1-6)间的相对位置由横梁立柱连接块(1-5)确定，三者间通过螺栓连接，刀盘机架横梁(1-6)及其上载荷均由刀盘机架立柱(1-4)承担，刀盘机架立柱(1-4)与刀盘机架横梁(1-6)均采用标准H形钢，刀盘机架轴承支撑(1-7)与刀盘机架横梁(1-6)通过螺栓连接，中心轴(1-8)通过轴承安装于两刀盘机架轴承支撑(1-7)中，中心轴(1-8)上开有键槽(1-8-1)，以便与实验台中心体(2)连接，轴颈(1-8-2)用以实验台中心体(2)在中心轴(1-8)上的轴向定位；

所述的实验台中心体(2)包括齿轮驱动电机(2-1)、齿轮处联轴器(2-2)、小齿轮(2-3)、大齿轮(2-4)、中心体连接筋(2-5)、中心体框架(2-6)、滚珠丝杠伺服电机(2-7)、滚珠丝杠副(2-8)、滚珠丝杆螺母(2-9)、滚刀安装座(2-10)、大齿圈连接板(2-11)、滚刀偏转角调节电机(2-12)和中心体移动板(2-13)；齿轮驱动电机(2-1)通过齿轮处联轴器(2-2)与小齿轮(2-3)相连，以此驱动小齿轮(2-3)转动，小齿轮(2-3)与齿轮驱动电机(2-1)均通过其底部的螺栓孔与实验台底部机架(4)连接；小齿轮(2-3)通过齿轮啮合驱动大齿轮(2-4)进行转动，以此实现滚刀安装座(2-10)绕中心轴(1-8)转角的变化；大齿轮(2-4)采用局部齿设计，齿覆盖的范围依据实验台极角的变化度数决定；大齿轮(2-4)通过中心体连接筋(2-5)、大齿圈连接板(2-11)与中心体框架(2-6)相连，中心体连接筋(2-5)的数量依据大齿轮(2-4)的重量而定；中心体框架(2-6)为“门”字型框架结构，大齿圈连接板(2-11)用于连接中心体框架(2-6)底部与大齿轮(2-4)；中心体框架(2-6)的顶部设有中心轴安装孔，通过中心轴安装孔与中心轴(1-8)相连，滚珠丝杠伺服电机(2-7)通过螺栓与中心体框架(2-6)相连，通过其带动滚珠丝杠副(2-8)转动，进而驱动滚珠丝杆螺母(2-9)沿滚珠丝杠副(2-8)上下运动，滚珠丝杆螺母(2-9)通过中心体移动板(2-13)与滚刀安装座(2-10)固结在一起，从而实现滚刀安装座(2-10)在直径方向上的运动，滚刀安装座(2-10)用于安装正滚刀；滚刀偏转角调节电机(2-12)安装在中心体移动板(2-13)上，通过滚刀偏转角调节电机(2-12)的转动可实现滚刀安装座(2-10)偏转角的变化；

实验台主梁(3)包括主梁底板(3-1)、主梁筋板(3-2)、主梁立柱(3-3)、主梁后侧板(3-4)、主梁前侧板(3-5)、主梁前段弧形板(3-6)、主梁前段支撑腿(3-7)、主梁前段底板(3-8)、主梁坡度调整板(3-9)、机器人安装孔(3-10)、运刀孔(3-11)和底板(3-12)；主梁底板(3-1)与主梁筋板(3-2)均通过焊接与主梁立柱(3-3)相连，主梁底板(3-1)上开有螺栓孔，以便与实验台底部机架(4)相连，主梁筋板(3-2)对主梁立柱(3-3)起加固作用，防止因外力过大致使主梁发生倾覆，主梁立柱(3-3)通过螺栓与底板(3-12)相连，底板(3-12)上设有运刀孔(3-11)，以便滚刀的运送，底板(3-12)通过螺栓与主梁后侧板(3-4)相连，两主梁后侧板(3-4)与上下两底板(3-12)围成筒体结构；主梁后侧板(3-4)上设有机器人安装孔(3-10)与主梁坡度调整板(3-9)，机器人安装孔(3-10)用于安装实验用换刀机器人，主梁坡度调整板(3-9)用调整主梁底部的倾斜角，以适应不同TBM主梁的结构形式，主梁前侧板(3-5)通过螺栓与主梁后侧板(3-4)相连，主梁前段弧形板(3-6)通过螺栓与主梁前侧板(3-5)相连，主梁前侧板(3-5)与主梁前段弧形板(3-6)均起到模拟TBM主梁内部空间的功能，主梁前段弧形板(3-6)下方通过螺栓与主梁前段支撑腿(3-7)相连，主梁前段支撑腿(3-7)对主梁前段弧形板(3-6)起支撑作用，以减少主梁前段弧形板(3-6)的变形；主梁前段支撑腿(3-7)底部焊接有主梁前段底板(3-8)与主梁筋板(3-2)，主梁前段底板(3-8)上设有螺栓孔，用于连接实验台底部机架(4)，其中主梁立柱(3-3)与主梁前段支撑腿(3-7)均为标准H形钢；

实验台底部机架(4)包括底部机架前横板(4-1)、底部机架右侧内板(4-2)、底部机架主梁支撑板(4-3)、后横板连接孔(4-4)、底部机架后横板(4-5)、底部机架左侧内板(4-6)、底部机架外板(4-7)、电机右机架(4-8)、电机底座(4-9)、电机左机架(4-10)、底部机架立柱安装孔(4-11)、小齿轮底座(4-12)、小齿轮机架(4-13)和支撑腿安装孔(4-14)；实验台底部机架(4)主要起到定位的作用，实验台主梁(3)、实验台中心体(2)与实验台刀盘机架(1)间的相对位置均通过实验台底部机架(4)进行定位；底部机架前横板(4-1)与底部机架主梁支撑板(4-3)共同作为实验台主梁(3)的底部基座，底部机架前横板(4-1)上设置有主梁安装孔4-14与实验台主梁(3)相连，底部机架前横板(4-1)与底部机架主梁支撑板(4-3)间通过焊接连接在一起，底部机架后横板(4-5)上设有后横板连接孔(4-4)，通过螺栓将底部机架后横板(4-5)与底部机架主梁支撑板(4-3)相连；底部机架右侧内板(4-2)与底部机架外板(4-7)对刀盘机架立柱(1-4)起定位作用，其上设有底部机架立柱安装孔(4-11)，用于与刀盘机架立柱(1-4)相连；底部机架左侧内板(4-6)与底部机架外板(4-7)作用相同，也用于安装刀盘机架立柱(1-4)，除此外，底部机架左侧内板(4-6)上安装有电机左机架(4-10)，底部机架前横板(4-1)上通过螺栓与电机底座(4-9)相连，电机底座(4-9)与电机右机架(4-8)通过螺栓相连，电机右机架(4-8)与电机左机架(4-10)共同作为齿轮驱动电机(2-1)的定位机架，底部机架左侧内板(4-6)右侧连接有小齿轮底座(4-12)，小齿轮底座(4-12)通过螺栓与小齿轮机架(4-13)相连，小齿轮机架(4-13)通过螺栓与小齿轮(2-3)相连，对小齿轮(2-3)起定位作用。

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