CN109974995A - 一种具有复合式测力结构的tbm实验台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有复合式测力结构的TBM实验台，包括主机架、主传动系统、刀盘、试样框和试样框导向装置；所述刀盘的下方均布安装有四组刀箱组，刀箱组具有复合式测力结构；所述复合测力结构包括大刀箱组件、复合式测力传感器组件、小刀箱组件和滚刀组件；所述小刀箱组件通过两个三分量力传感器安装于所述大刀箱箱体内；所述两个三分量力传感器和设置在小刀箱箱体上的三组光纤光栅传感器共同构成复合式测力传感器组件，用于精确测量滚刀的垂直力、滚动力和侧向力。
Description
技术领域
本发明涉及一种TBM实验台，特别涉及一种用于滚刀岩机相互作用的TBM实验台，且该实验台具有复合式测力结构。
背景技术
全断面隧道掘进机（TBM）是隧道开挖的先进工程装备，滚刀是盾构机在掘进过程中破碎岩石的重要工具，其破岩效率直接影响了盾构机的掘进速度。盾构机在掘进过程中会遇到各种不同的地质条件、不同性质的岩石，刀具的受力性质变化剧烈，对刀具的设计提出了很高的要求。利用滚刀岩机相互作用实验平台研究滚刀的破岩机理、结构形式和破岩力学预测模型对改进滚刀的设计，提高滚刀使用寿命，优化滚刀在刀盘上的布置，从而实现高效的隧道掘进具有重要的意义。
目前，很多技术人员已经设计出不同种类的TBM实验台：
申请号为CN201721877374.7的专利公开了一种测量三自由度滚刀破岩及磨损的实验装置，其中滚刀安装于工作台的刀箱下方，三轴力传感器安装于安装于刀箱上方，通过此结构实现对滚刀三向力的测量；其中三轴力传感器位于滚刀上方安装，与滚刀之间距离过大，增长的弯矩直接导致测量误差被放大，不能准确反映滚刀受力情况。
申请号为CN201611005215.8的专利公开了一种梁式结构的TBM实验台用滚刀三向力测量刀架，安装架通过对称布置4根矩形柱梁与刀架构成一体，应变电阻片组A、B、C分别分别粘结在四根柱梁的不同侧面上，均通过形成电桥的方式分别测量出滚刀所受的滚动力、侧向力和垂直力的大小；其虽然克服了不必要的增长弯矩造成的测量误差，但是因为应变电阻片与柱梁难以很好的结合、应变电阻片焊点易脱落，前期标定步骤复杂等原因，该方案存在使用寿命短，易损坏，且操作复杂等缺点。
发明内容
光纤光栅传感器已经作为一种力学传感器广泛使用，其是光栅经激光刻写于细微的单模光纤纤芯中，使用宽带光入射于光纤内作为信号光源，光纤光栅反射特定波长的光信号，被反射回的光信号为峰状光谱，当刻有光栅的光纤受到轴向应变作用时，该反射光谱会产生漂移，通过检测此漂移量即可监测轴向应力的大小。光栅以细微的光纤为载体，体积小，质量轻，不受电磁干扰的影响，稳定性强，测量精度高。
为了克服上述现有技术中的不足，本发明的TBM实验台具体结构如下：实验台包括主机架、主传动系统、刀盘、试样框和试样框导向装置；所述主传动系统通过导向装置和进给油缸安装于所述主机架内部上半部，所述刀盘转动安装于所述主传动系统下方，且由设置于主传动系统内的5组液压马达驱动转动；所述刀盘的下方均布安装有四组刀箱组；所述刀箱组具有复合式测力结构，所述复合式测力结构包括大刀箱组件、复合式测力传感器组件、小刀箱组件和滚刀组件；所述大刀箱组件包括呈长方体形的大刀箱箱体，所述大刀箱箱体包括四个周侧面，所述大刀箱箱体内部两侧设置有两个用于安装三分量力传感器的传感器安装板，所述传感器安装板上设置有螺钉安装孔，所述三分量力传感器数量为两个且为圆柱形，其圆柱形的顶面通过内六角螺钉固定安装于所述传感器安装板上；所述小刀箱组件通过所述三分量力传感器安装于所述大刀箱箱体内，所述滚刀组件安装于所述小刀箱箱体上；所述小刀箱组件包括呈长方体形的小刀箱箱体，所述小刀箱箱体包括四个周侧面和顶面；所述小刀箱箱体长度较短的两个周侧面上安装有用于测量滚刀的垂直力的第一组光纤光栅传感器；所述小刀箱箱体的顶面上安装有用于测量滚刀滚动力的第二组光纤光栅传感器和用于测量滚刀侧向力的第三组光纤光栅传感器；所述两个三分量力传感器和所述三组光纤光栅传感器共同构成复合式测力传感器组件，用于精确测量滚刀的垂直力、滚动力和侧向力。
进一步地，所述刀箱组通过刀间距调节油缸安装于所述刀盘下方；所述试样框设置在所述刀箱组下方，且安装在所述试样框导向装置上。
进一步地，每个周侧面上的第一组光纤光栅传感器数量为两根，且所述第一组光纤光栅传感器竖直安装于所述与所述周侧面的两侧；所述第二组光纤光栅传感器的数量为两根，且沿滚刀的滚动方向安装于所述小刀箱箱体的顶面两侧；所述第三组光纤光栅传感器的数量为两根，且沿滚刀轴方向安装于所述小刀箱箱体的顶面两侧；所述三组光纤光栅传感器均安装于小刀箱箱体相应位置开设的安装槽内，且用胶水粘结固定。
进一步地，在所述小刀箱箱体较长的两个周侧面上均设置有与三分量力传感器圆柱形底面配合安装的传感器安装耳座，所述传感器安装耳座上设置有螺钉安装孔，所述传感器安装耳座通过内六角螺钉安装于所述三分量力传感器的圆柱形底面上，从而将小刀箱箱体安装于所述大刀箱箱体内；在小刀箱箱体较长的两个周侧面上还均设置有用于安装滚刀组件的安装缺口。
进一步地，所述滚刀组件包括滚刀、两个滚刀夹紧块、滚刀轴，所述滚刀轴的两端分别安装于所述滚刀夹紧块的安装孔中，所述滚刀夹紧块通过高强度六方头螺钉安装固定于所述小刀箱箱体的安装缺口中，从而将滚刀组件安装于所述小刀箱箱体上；所述滚刀为盘形滚刀。
进一步地，在所述大刀箱箱体顶面相互对应的两长边之间的中部设置有耳座连接板，在所述耳座连接板的中部设置有耳座，所述耳座与设置在刀盘周面的刀间距调整油缸铰接；所述三分量力传感器的圆柱形顶面和底面上均开设有螺钉孔。
本发明的TBM实验台具有如下优点：
TBM实验台中的复合式测力传感器组件由两个三分量力传感器和三组光纤光栅传感器共同构成，在使用前分别对这两种传感器进行标定，使用中利用两种传感器分别测量滚刀的三向力，再对两种传感器测得的三向力数值进行综合对比分析，最终获得滚刀所受的三向力，测量精度高。
另外，当只有一种传感器时，因为长时间使用传感器的测量精度可能会发生变化，所以需要定期对传感器进行重新标定，而定期标定的时间往往难以确定；而通过本发明，当其中一组传感器测量精度异常时，能够通过另外一组传感器及时发现测量异常，这时就可以及时对该组发生异常传感器进行更换或重新标定。
还有，本发明通过将三分量力传感器设置安装在大刀箱和小刀箱之间，这样的传感器安装位置减小了测量时的弯矩影响，测量精度更高；通过利用光纤光栅传感器，解决了现有应变电阻片式测量结构中应变电阻片与本体结构难以很好的结合、应变电阻片焊点易脱落，前期标定步骤复杂等问题。
附图说明
图1为本发明TBM实验台的整体结构图；
图2为本发明TBM实验台的截面示意图；
图3为本发明TBM实验台中刀箱组的结构图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
如图1-3所示，本发明的TBM实验台包括主机架5、主传动系统6、刀盘10、试样框51和试样框导向装置52；所述主传动系统6通过导向装置7和进给油缸8安装于所述主机架5内部上半部，所述刀盘10转动安装于所述主传动系统6下方，且由设置于主传动系统6内的5组液压马达驱动9转动；所述刀盘10的下方均布安装有四组刀箱组；所述刀箱组具有复合式测力结构，所述复合式测力结构包括大刀箱组件1、复合式测力传感器组件、小刀箱组件3和滚刀组件4；所述大刀箱组件1包括呈长方体形的大刀箱箱体11，所述大刀箱箱体11包括四个周侧面，所述大刀箱箱体11内部两侧设置有两个用于安装三分量力传感器2的传感器安装板12，所述传感器安装板12上设置有螺钉安装孔16，所述三分量力传感器2数量为两个且为圆柱形，其圆柱形的顶面通过内六角螺钉15固定安装于所述传感器安装板12上；所述小刀箱组件3通过所述三分量力传感器2安装于所述大刀箱箱体11内，所述滚刀组件4安装于小刀箱箱体31上；所述小刀箱组件3包括呈长方体形的小刀箱箱体31，所述小刀箱箱体31包括四个周侧面和顶面；所述小刀箱箱体31长度较短的两个周侧面上安装有用于测量滚刀的垂直力的第一组光纤光栅传感器311；所述小刀箱箱体31的顶面上安装有用于测量滚刀滚动力的第二组光纤光栅传感器312和用于测量滚刀侧向力的第三组光纤光栅传感器313；所述两个三分量力传感器2和所述三组光纤光栅传感器共同构成复合式测力传感器组件，用于精确测量滚刀的垂直力、滚动力和侧向力。
进一步地，所述刀箱组通过刀间距调节油缸53安装于所述刀盘10下方；所述试样框51设置在所述刀箱组下方，且安装在所述试样框导向装置52上。
进一步地，每个周侧面上的第一组光纤光栅传感器311数量为两根，且所述第一组光纤光栅传感器311竖直安装于所述与所述周侧面的两侧；所述第二组光纤光栅传感器312的数量为两根，且沿滚刀41的滚动方向安装于所述小刀箱箱体的顶面两侧；所述第三组光纤光栅传感器313的数量为两根，且沿滚刀轴43方向安装于所述小刀箱箱体的顶面两侧；所述三组光纤光栅传感器均安装于小刀箱箱体31相应位置开设的安装槽内，且用胶水粘结固定。
进一步地，在所述小刀箱箱体31较长的两个周侧面上均设置有与三分量力传感器2圆柱形底面配合安装的传感器安装耳座32，所述传感器安装耳座32上设置有螺钉安装孔321，所述传感器安装耳座32通过内六角螺钉322安装于所述三分量力传感器2的圆柱形底面上，从而将小刀箱箱体31安装于所述大刀箱箱体11内；在小刀箱箱体较长的两个周侧面上还均设置有用于安装滚刀组件4的安装缺口。
进一步地，所述滚刀组件4包括滚刀41、两个滚刀夹紧块42、滚刀轴43，所述滚刀轴43的两端分别安装于所述滚刀夹紧块42的安装孔中，所述滚刀夹紧块42通过高强度六方头螺钉44安装固定于所述小刀箱箱体的安装缺口中，从而将滚刀组件4安装于所述小刀箱箱体31上；所述滚刀为盘形滚刀。
进一步地，在所述大刀箱箱体11顶面相互对应的两长边之间的中部设置有耳座连接板13，在所述耳座连接板13的中部设置有耳座14，所述耳座14与设置在刀盘周面的刀间距调整油缸53铰接；所述三分量力传感器2的圆柱形顶面和底面上均开设有螺钉孔22。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种具有复合式测力结构的TBM实验台,该实验台包括主机架（5）、主传动系统（6）、刀盘（10）、试样框（51）和试样框导向装置（52）；所述主传动系统（6）通过导向装置（7）和进给油缸（8）安装于所述主机架（5）内部上半部，所述刀盘（10）转动安装于所述主传动系统（6）下方，且由设置于主传动系统（6）内的5组液压马达驱动（9）转动；所述刀盘（10）的下方均布安装有四组刀箱组；其特征在于：所述刀箱组具有复合式测力结构，所述复合式测力结构包括大刀箱组件（1）、复合式测力传感器组件、小刀箱组件（3）和滚刀组件（4）；所述大刀箱组件（1）包括呈长方体形的大刀箱箱体（11），所述大刀箱箱体（11）包括四个周侧面，所述大刀箱箱体（11）内部两侧设置有两个用于安装三分量力传感器（2）的传感器安装板（12），所述传感器安装板（12）上设置有螺钉安装孔（16），所述三分量力传感器（2）数量为两个且为圆柱形，其圆柱形的顶面通过内六角螺钉（15）固定安装于所述传感器安装板（12）上；所述小刀箱组件（3）通过所述三分量力传感器（2）安装于所述大刀箱箱体（11）内，所述滚刀组件（4）安装于小刀箱箱体（31）上；所述小刀箱组件（3）包括呈长方体形的小刀箱箱体（31），所述小刀箱箱体（31）包括四个周侧面和顶面；所述小刀箱箱体（31）长度较短的两个周侧面上安装有用于测量滚刀的垂直力的第一组光纤光栅传感器（311）；所述小刀箱箱体（31）的顶面上安装有用于测量滚刀滚动力的第二组光纤光栅传感器（312）和用于测量滚刀侧向力的第三组光纤光栅传感器（313）；所述两个三分量力传感器（2）和所述三组光纤光栅传感器共同构成复合式测力传感器组件，用于精确测量滚刀的垂直力、滚动力和侧向力。
2.根据权利要求1所述的TBM实验台，其特征在于：所述刀箱组通过刀间距调节油缸（53）安装于所述刀盘（10）下方；所述试样框（51）设置在所述刀箱组下方，且安装在所述试样框导向装置（52）上。
3.根据权利要求2所述的TBM实验台，其特征在于：每个周侧面上的第一组光纤光栅传感器（311）数量为两根，且所述第一组光纤光栅传感器（311）竖直安装于所述与所述周侧面的两侧；所述第二组光纤光栅传感器（312）的数量为两根，且沿滚刀（41）的滚动方向安装于所述小刀箱箱体的顶面两侧；所述第三组光纤光栅传感器（313）的数量为两根，且沿滚刀轴（43）方向安装于所述小刀箱箱体的顶面两侧；所述三组光纤光栅传感器均安装于小刀箱箱体（31）相应位置开设的安装槽内，且用胶水粘结固定。
4.根据权利要求3所述的TBM实验台，其特征在于：在所述小刀箱箱体（31）较长的两个周侧面上均设置有与三分量力传感器（2）圆柱形底面配合安装的传感器安装耳座（32），所述传感器安装耳座（32）上设置有螺钉安装孔（321），所述传感器安装耳座（32）通过内六角螺钉（322）安装于所述三分量力传感器（2）的圆柱形底面上，从而将小刀箱箱体（31）安装于所述大刀箱箱体（11）内；在小刀箱箱体较长的两个周侧面上还均设置有用于安装滚刀组件（4）的安装缺口。
5.根据权利要求4所述的TBM实验台，其特征在于：所述滚刀组件（4）包括滚刀（41）、两个滚刀夹紧块（42）、滚刀轴（43），所述滚刀轴（43）的两端分别安装于所述滚刀夹紧块（42）的安装孔中，所述滚刀夹紧块（42）通过高强度六方头螺钉（44）安装固定于所述小刀箱箱体的安装缺口中，从而将滚刀组件（4）安装于所述小刀箱箱体（31）上；所述滚刀为盘形滚刀。
6.根据权利要求1-5所述的TBM实验台，其特征在于：在所述大刀箱箱体（11）顶面相互对应的两长边之间的中部设置有耳座连接板（13），在所述耳座连接板（13）的中部设置有耳座（14），所述耳座（14）与设置在刀盘周面的刀间距调整油缸（53）铰接；所述三分量力传感器（2）的圆柱形顶面和底面上均开设有螺钉孔（22）。
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