CN109870259B - 盾构螺旋输送机与改性渣土间等效剪切应力测定装置 - Google Patents

盾构螺旋输送机与改性渣土间等效剪切应力测定装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了盾构螺旋输送机与改性渣土间等效剪切应力测定装置，包括螺旋壳体、螺旋装置、数据计算模块和测定部件；所述测定部件包括用于测定螺旋装置与改性渣土间的螺旋驱动扭矩的扭矩测定部件、用于测定改性渣土的输送角度的角度测定部件、用于测定螺旋装置的结构参数的参量测定部件和用于测定改性渣土的平均密度的密度测定部件，所述扭矩测定部件、角度测定部件、参量测定部件和密度测定部件分别与数据计算模块相连接，所述螺旋装置安装于螺旋壳体内。相比于传统技术，本发明结构合理，设计精密，能够准确测定盾构螺旋输送机与改性渣土间的等效剪切应力，从而能够满足盾构施工的需求。

Description

盾构螺旋输送机与改性渣土间等效剪切应力测定装置
技术领域
本发明涉及盾构螺旋输送机与改性渣土间等效剪切应力测定装置。
背景技术
地下隧道盾构施工时，渣土的剪切应力是一个重要的控制参数，盾构螺旋输送机正常运行时，内部的螺旋结构与渣土间的剪切作用不同于直剪仪或者十字板剪切仪与渣土间的剪切作用，在工程实践中测量比较困难，往往采用经验式的方式进行估算。但随着渣土的性能扩展，这种经验式的计算精度已经不能满足实际的施工需求，为更好地服务于工程需求，迫切需要一种能够准确测定盾构螺旋输送机与改性渣土间等效剪切应力测定装置。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供盾构螺旋输送机与改性渣土间等效剪切应力测定装置，能够准确测定盾构螺旋输送机与改性渣土间的等效剪切应力，从而能够满足盾构施工的需求。
为了弥补现有技术的不足，本发明实施例采用的技术方案是：
盾构螺旋输送机与改性渣土间等效剪切应力测定装置，包括螺旋壳体、用于装载并螺旋移动改性渣土的螺旋装置、用于计算等效剪切应力的数据计算模块和用于测定供所述数据计算模块计算等效剪切应力所需参数的测定部件；所述测定部件包括用于测定螺旋装置与改性渣土间的螺旋驱动扭矩的扭矩测定部件、用于测定改性渣土的输送角度的角度测定部件、用于测定螺旋装置的结构参数的参量测定部件和用于测定改性渣土的平均密度的密度测定部件，所述扭矩测定部件、角度测定部件、参量测定部件和密度测定部件分别与数据计算模块相连接，所述螺旋装置安装于螺旋壳体内。
进一步地，所述螺旋装置包括螺旋轴和螺旋叶片，所述螺旋叶片沿螺旋轴外周缠绕设置，所述螺旋叶片与螺旋壳体之间形成螺旋槽。
进一步地，所述参量测定部件包括用于测定螺旋叶片直径的第一测定部件、用于测定螺旋槽深度的第二测定部件、用于测定螺旋轴长度的第三测定部件和用于测定螺旋装置的安装倾斜角的第四测定部件，所述第一测定部件、第二测定部件、第三测定部件和第四测定部件分别与数据计算模块相连接。
进一步地，所述测定部件还包括用于驱动螺旋装置进行转动的减速电机，所述减速电机与螺旋装置相连接。
进一步地，所述扭矩测定部件为扭矩传感器。
进一步地，本发明还包括螺旋壳体，所述螺旋装置安装于螺旋壳体内。
本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下有益效果：在盾构螺旋输送机与改性渣土间等效剪切应力测定装置中，螺旋装置能够装载渣土并且螺旋移动渣土，使得渣土在螺旋装置与螺旋壳体之间受到螺旋转动方向力的作用，产生螺旋驱动扭矩，从而使得盾构螺旋输送机在掘进时定量外排渣土，以此作为测定等效剪切应力的前提条件；扭矩测定部件可以测定渣土在螺旋转动方向力的作用下所产生的螺旋驱动扭矩，从而为测定等效剪切应力提供必要的扭矩参数；角度测定部件可以测定渣土在螺旋装置上的输送角度，从而为测定等效剪切应力提供必要的相关接触参数；参量测定部件可以测定螺旋装置的结构参数，从而为测定等效剪切应力提供必要的设备基础参量；密度测定部件可以测定渣土的平均密度，从而了解渣土的改性特性，为测定等效剪切应力提供必要的材料基础参量；数据计算模块可以整合扭矩测定部件、角度测定部件、参量测定部件和密度测定部件的测定参数，从而准确计算出盾构螺旋输送机与改性渣土间的等效剪切应力。因此，本发明结构合理，设计精密，能够准确测定盾构螺旋输送机与改性渣土间的等效剪切应力，从而能够满足盾构施工的需求。
附图说明
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的实施方案。
图1是本发明实施例中的螺旋装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中的螺旋叶片上的螺旋角定义示意图；
图3是本发明实施例中的渣土微元体的结构示意图；
图4是图3中的渣土微元体的放大示意图。
具体实施方式
参照图3，本发明的实施例提供了盾构螺旋输送机与改性渣土间等效剪切应力测定装置，包括螺旋壳体120、用于装载并螺旋移动改性渣土的螺旋装置、用于计算等效剪切应力的数据计算模块和用于测定供所述数据计算模块计算等效剪切应力所需参数的测定部件；所述测定部件包括用于测定螺旋装置与改性渣土间的螺旋驱动扭矩的扭矩测定部件、用于测定改性渣土的输送角度的角度测定部件、用于测定螺旋装置的结构参数的参量测定部件和用于测定改性渣土的平均密度的密度测定部件，所述扭矩测定部件、角度测定部件、参量测定部件和密度测定部件分别与数据计算模块相连接，所述螺旋装置安装于螺旋壳体120内。
在本实施例中，在盾构螺旋输送机与改性渣土间等效剪切应力测定装置中，螺旋装置能够装载渣土并且螺旋移动渣土，使得渣土在螺旋装置与螺旋壳体120之间受到螺旋转动方向力的作用，产生螺旋驱动扭矩，从而使得盾构螺旋输送机在掘进时定量外排渣土，以此作为测定等效剪切应力的前提条件；螺旋装置安装于螺旋壳体120内，即螺旋壳体120覆于螺旋装置之外，因此螺旋壳体120可为螺旋装置起到保护作用，同时防止外部污染或其它干扰会影响到测定精度；扭矩测定部件可以测定渣土在螺旋转动方向力的作用下所产生的螺旋驱动扭矩，从而为测定等效剪切应力提供必要的扭矩参数；角度测定部件可以测定渣土在螺旋装置上的输送角度，从而为测定等效剪切应力提供必要的相关接触参数；参量测定部件可以测定螺旋装置的结构参数，从而为测定等效剪切应力提供必要的设备基础参量；密度测定部件可以测定渣土的平均密度，从而了解渣土的改性特性，为测定等效剪切应力提供必要的材料基础参量；数据计算模块可以整合扭矩测定部件、角度测定部件、参量测定部件和密度测定部件的测定参数，从而准确计算出盾构螺旋输送机与改性渣土间的等效剪切应力。因此，本发明结构合理，设计精密，能够准确测定盾构螺旋输送机与改性渣土间的等效剪切应力，从而能够满足盾构施工的需求。
进一步地，本发明的另一实施例还提供了盾构螺旋输送机与改性渣土间等效剪切应力测定装置，其中，所述螺旋装置包括螺旋轴140 和螺旋叶片130，所述螺旋叶片130沿螺旋轴140外周缠绕设置，所述螺旋叶片130与螺旋壳体120之间形成螺旋槽110。
在本实施例中，在旋转时，螺旋叶片130绕螺旋轴140进行转动，由于螺旋槽110设置于螺旋叶片130与螺旋壳体120之间，从而使螺旋槽110也进行受力转动，由于螺旋槽110内装载有改性渣土，因此改性渣土也进行从动，从而与螺旋壳体120之间产生摩擦剪应力，从而为测定盾构螺旋输送机与改性渣土间的等效剪切应力创立了前提条件，使得改性渣土能够被盾构螺旋输送机进行外排。
进一步地，本发明的另一实施例还提供了盾构螺旋输送机与改性渣土间等效剪切应力测定装置，其中，所述参量测定部件包括用于测定螺旋叶片130直径的第一测定部件、用于测定螺旋槽110深度的第二测定部件、用于测定螺旋轴140长度的第三测定部件和用于测定螺旋装置的安装倾斜角的第四测定部件，所述第一测定部件、第二测定部件、第三测定部件和第四测定部件分别与数据计算模块相连接。
在本实施例中，螺旋叶片130直径影响渣土螺旋移动的推动力，螺旋槽110深度影响渣土与螺旋壳体120间的摩擦剪应力，螺旋轴 140长度影响到渣土的螺旋移动时间(即渣土与螺旋装置间的摩擦剪切作用时间)，螺旋装置的安装倾斜角影响到渣土的摩擦剪应力在螺旋轴140法向方向上所呈角度大小，通过测定上述四个参量，可以获得测定盾构螺旋输送机与改性渣土间的等效剪切应力的必要参量，从而有助于准确测定盾构螺旋输送机与改性渣土间的等效剪切应力。
进一步地，本发明的另一实施例还提供了盾构螺旋输送机与改性渣土间等效剪切应力测定装置，其中，所述测定部件还包括用于驱动螺旋装置进行转动的减速电机，所述减速电机与螺旋装置相连接。
在本实施例中，减速电机可以驱动螺旋装置进行转动，从而使螺旋装置稳定输送渣土，为测定盾构螺旋输送机与改性渣土间的等效剪切应力提供了先决条件，保证渣土在盾构螺旋输送机下产生摩擦剪切力。
进一步地，本发明的另一实施例还提供了盾构螺旋输送机与改性渣土间等效剪切应力测定装置，其中，所述扭矩测定部件为扭矩传感器。
在本实施例中，扭矩传感器测量扭矩较为稳定，性能优异；常见的扭矩传感器分为动态和静态两大类，由于其是本领域技术人员所公知的，在此不作赘述。
参照图1-图4，本发明的另一实施例还提供了盾构螺旋输送机与改性渣土间等效剪切应力测定装置，包括螺旋壳体120、用于螺旋移动改性渣土的螺旋轴140和螺旋叶片130、用于计算等效剪切应力的数据计算模块、用于测定螺旋轴140与改性渣土间的螺旋驱动扭矩的扭矩传感器、用于测定改性渣土的输送角度的角度测定部件、用于测定螺旋叶片130直径的第一测定部件、用于测定螺旋槽110深度的第二测定部件、用于测定螺旋轴140长度的第三测定部件、用于测定螺旋轴140的安装倾斜角的第四测定部件、用于驱动螺旋轴140和螺旋叶片130进行转动的减速电机以及用于测定改性渣土的平均密度的密度测定部件；所述螺旋叶片130沿螺旋轴140外周缠绕设置，所述螺旋叶片130与螺旋壳体120之间形成螺旋槽110，所述螺旋槽110 设置于螺旋叶片130上，所述扭矩传感器、角度测定部件、第一测定部件、第二测定部件、第三测定部件、第四测定部件和密度测定部件分别与数据计算模块相连接，所述减速电机分别与螺旋轴140和螺旋叶片130相连接，所述螺旋轴140、螺旋叶片130和螺旋槽110均安装于螺旋壳体120内。
在本实施例中，参照图1，其中，e为螺旋叶片130厚度，s为螺距，2r为螺旋轴140直径，2R为螺旋叶片130直径；参照图2，螺旋叶片130上任意一点的切线与其水平方向投影所成夹角为螺旋角，将一个螺距的螺旋线展开后，该螺旋线为一直角三角形的斜边，螺距为该直角三角形直角边，螺旋线在其水平方向投影为另外一条直角边，其中，图2(a)为螺旋叶片130的立体示意图，图2(b)为螺旋叶片130的展开结构示意图，由此可计算螺旋叶片130上任一点的螺旋角：
Figure RE-GDA0002020810710000071
其中，dx为轴向微增量，dl为螺旋叶片130的螺旋方向微增量。
同时，可计算螺旋叶片130外缘螺旋角：
Figure RE-GDA0002020810710000072
以螺旋槽110内的渣土微元体100为研究对象，如图3所示，假定改良后的砂土为均质流塑体，各向同性，则渣土微元体100的各方向长度如图4所示，其中，渣土微元体100沿螺旋槽110方向顶部长度为d(ft)l、平均长度为d(fm)l及底部长度为d(fb)l；渣土微元体100 顶部宽度为(ct)w、平均宽度为(cm)w及底部宽度为(cb)w；螺旋槽110 深度为d。
则根据几何关系可得：
Figure RE-GDA0002020810710000081
Figure RE-GDA0002020810710000082
Figure RE-GDA0002020810710000083
Figure RE-GDA0002020810710000084
改性渣土在螺旋槽110内螺旋上升移动时，在沿螺旋轴140转动方向力的作用下，产生了螺旋扭矩；下列等效螺旋剪切应力理论模型由垂直螺旋轴140方向的螺旋扭矩平衡推导得到：
盾构螺旋输送机平稳掘进时，螺旋输送机定量外排改性渣土。由研究对象的运动和受力图可以看出，仅有渣土与螺旋壳间的摩擦剪应力τc、微元渣土体重力G存在与螺旋轴140转动方向相反的分力，根据垂直螺旋轴140方向的力矩平衡条件得出式(7)如下：
Figure RE-GDA0002020810710000085
其中，式(7)等号一边的负号，表明微元渣土体重力G及螺旋壳剪应力τc垂直于螺旋轴140方向上的分力力矩与转动扭矩的方向相反。θ为渣土输送角，R是螺旋叶片130半径，ρ为渣土平均密度，g为重力加速度，φ为螺旋轴140的安装倾斜角，d为螺旋槽110的深度。
将式(1)和(3)-(6)代入式(7)，为简化分析，忽略螺旋叶片130的厚度e，可得式(8)如下：
Figure RE-GDA0002020810710000091
进而忽略螺旋叶片130间的平均螺旋角的差异，由式(2)可以将式(8)进一步化简为下式：
Figure RE-GDA0002020810710000092
将式(9)沿螺旋方向积分，并假定螺旋长度为L，渣土填充率为百分之百，可得式(10)如下:
Figure RE-GDA0002020810710000093
由式(10)可以看出，该剪切应力受螺旋几何参数、渣土的密度、螺旋安装角度及运行状态参数等的影响。通过该式，可以计算出不同扭矩和渣土流方向时改性渣土的剪切应力；当θ为0°时，盾构螺旋输送机发生堵塞，渣土不沿螺旋轴140方向运移，由式(10)可以计算出渣土堵塞时的剪切应力，为防止盾构螺旋输送机出现堵塞情况提供了量化技术指导；由式(10)可以得知，在螺旋装置几何结构和安装倾斜角度确定的前提下，改性渣土的剪切应力与螺旋驱动扭矩成正比关系，与渣土输送角度成反比关系，即渣土越硬，在同样渣土输送角度的情况下，所需螺旋驱动扭矩越大。
以上内容对本发明的较佳实施例和基本原理作了详细论述，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员应该了解在不违背本发明精神的前提下还会有各种等同变形和替换，这些等同变形和替换都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (5)

1.盾构螺旋输送机与改性渣土间等效剪切应力测定装置，其特征在于：包括螺旋壳体(120)、用于装载并螺旋移动改性渣土的螺旋装置、用于计算等效剪切应力的数据计算模块和用于测定供所述数据计算模块计算等效剪切应力所需参数的测定部件；所述测定部件包括用于测定螺旋装置与改性渣土间的螺旋驱动扭矩的扭矩测定部件、用于测定改性渣土的输送角度的角度测定部件、用于测定螺旋装置的结构参数的参量测定部件和用于测定改性渣土的平均密度的密度测定部件，所述扭矩测定部件、角度测定部件、参量测定部件和密度测定部件分别与数据计算模块相连接，所述螺旋装置安装于螺旋壳体(120)内；
所测定的等效剪切应力τc为：
Figure FDA0002779835990000011
其中，L为所测定的螺旋长度，R为所测定的螺旋叶片的半径，θ为所测定的渣土输送角，ρ为所测定的渣土平均密度，g为重力加速度，φ为所测定的螺旋轴的安装倾斜角，d为所测定的螺旋槽的深度，T为所测定的螺旋驱动扭矩。
2.根据权利要求1所述的盾构螺旋输送机与改性渣土间等效剪切应力测定装置，其特征在于：所述螺旋装置包括螺旋轴(140)和螺旋叶片(130)，所述螺旋叶片(130)沿螺旋轴(140)外周缠绕设置，所述螺旋叶片(130)与螺旋壳体(120)之间形成螺旋槽(110)。
3.根据权利要求2所述的盾构螺旋输送机与改性渣土间等效剪切应力测定装置，其特征在于：所述参量测定部件包括用于测定螺旋叶片(130)直径的第一测定部件、用于测定螺旋槽(110)深度的第二测定部件、用于测定螺旋轴(140)长度的第三测定部件和用于测定螺旋装置的安装倾斜角的第四测定部件，所述第一测定部件、第二测定部件、第三测定部件和第四测定部件分别与数据计算模块相连接。
4.根据权利要求1-3任一所述的盾构螺旋输送机与改性渣土间等效剪切应力测定装置，其特征在于：所述测定部件还包括用于驱动螺旋装置进行转动的减速电机，所述减速电机与螺旋装置相连接。
5.根据权利要求4所述的盾构螺旋输送机与改性渣土间等效剪切应力测定装置，其特征在于：所述扭矩测定部件为扭矩传感器。
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