CN110394894B - 一种大直径泥水盾构机搅拌器性能模拟实验装置 - Google Patents

一种大直径泥水盾构机搅拌器性能模拟实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大直径泥水盾构机搅拌器性能模拟实验装置，包括储水箱、进水管、回水管、工作箱、模拟搅拌器、相似刀盘、电机(或液压马达)等；储水箱与工作箱通过进水管和回水管连通，进水管中安装水泵，回水管中安装背压阀；工作箱上设有可拆卸的后盖板，后盖板的内外两侧分别安装可更换的模拟搅拌器和电机(或液压马达)；根据需要可将模拟搅拌器更换成相似刀盘，并可随时改变模拟搅拌器及相似刀盘的转速。本发明能够真实地模拟实际工程条件下盾构机搅拌器的工作环境，可以进行不同水压下，不同的搅拌转速、搅拌器间距、搅拌器大小、搅拌器形状的搅拌性能方面研究的模拟实验，为大直径泥水盾构机搅拌器设计和研究提供实验支持。

Description

一种大直径泥水盾构机搅拌器性能模拟实验装置
技术领域
本发明属于一种大直径泥水盾构设备的实验装置，具体涉及一种大直径泥水盾构机搅拌器性能模拟实验装置。
背景技术
大直径泥水盾构机是城市地铁、公路和穿越江河湖泊隧道施工的必要设备之一。搅拌机系统作为大直径泥水盾构的重要组成部分，其作用主要是对刀盘切削下来进入泥水仓的大块泥土或石块等其他异物进行分割，防止泥浆舱内土砂因自重作用沉淀，以利于从排泥吸口的进入和以良好的泥水流体状态进入泥水输送系统，使之不因有大块异物而造成堵仓或泥水管路堵塞继而造成泥水接力泵的损坏。然而，作为一个重要的系统部分，国内对其性能研究却少之又少。工程中搅拌器系统能耗大，排浆口堵塞、电机烧坏等问题层出不穷，这些都极大的影响了盾构机的掘进效率，也给维修带来了不便。针对搅拌器出现的一系列问题，单凭工程经验进行设计具有一定盲目性，无法有效解决常见问题，因此，搭建一个大直径泥水盾构机搅拌器系统及其应用的模拟实验装置具有实验功能，对搅拌器系统的研究具有一定的实践意义.
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对现有的大直径泥水盾构机搅拌器方面研究较少，设计大都以实际工程经验为依据，而存在耗能大、效率低、排浆口易堵塞等技术难题，提供一种大直径泥水盾构机搅拌器系统及其应用的模拟实验装置，可通过实验模拟以及辅助设备的监测及分析，为搅拌器不同因素对搅拌性能的影响提供数据依据。
本发明为一种大直径泥水盾构机搅拌器性能模拟实验装置：
所述的模拟实验装置可以改变水压，搅拌器搅拌转速、搅拌器间距、搅拌器大小以及搅拌器形状等因素对大直径泥水盾构机搅拌器系统的搅拌情况进行实验模拟。
所述的储水箱1是一个有盖子的密封水箱，配备液位计2，并在储水箱1下侧安装排水阀3。
所述的工作箱9形状为圆柱体型，后端圆面板为金属材料，工作箱9筒壁以及前端圆面板为耐压透明材料，工作箱9后端圆面板处安装一个压力计8。
所述的工作箱9筒壁安装橡胶刷10，两侧安装导轨11。橡胶刷10固定在导轨11上，可沿导轨11做360°旋转。
所述的工作箱9的后端圆面板安装一个后盖板12，与后端圆面板通过法兰连接，并通过密封垫保证密封，后盖板12可拆卸便于工作箱9内部的清洗。
所述的后盖板12外侧固定电机(或液压马达)14，内侧固定模拟搅拌器13，在后盖板12中打孔，电机(或液压马达)14与模拟搅拌器13通过联轴器连接并穿过后盖板12小孔，小孔处用盘根密封的方法进行密封，不同的模拟搅拌器13间距可用不同后盖板12固定。
所述的工作箱9筒壁及一个圆面板为耐压透明材料，透明材质便于观察及监测。可通过在工作箱9中添加示踪粒子，利用粒子图像测速仪(PIV)，对工作箱9内部流场变化进行拍摄。
本发明为模拟现实大直径泥水盾构机搅拌器系统工作条件下的搅拌情况，可通过改变水压、搅拌器搅拌转速、搅拌器间距、搅拌器大小以及搅拌器形状等因素对大直径泥水盾构机搅拌器系统的搅拌情况进行实验模拟。并通过粒子图像测速仪对搅拌器的搅拌流场进行捕捉，通过图像分析及数据比对，监测搅拌器的流场特性情况。
本发明操作简单，安全可靠，且与实际工程条件下搅拌器工作环境相似，并可以对搅拌器不同参数进行改变，得到相关实验数据，为大直径泥水盾构机搅拌器的设计和研究提供支持。
附图说明
图1为实施例中的一种大直径泥水盾构机搅拌器性能模拟实验装置的整体图。
图2为实施例中的一种大直径泥水盾构机搅拌器性能模拟实验装置的正视图。
图3为实施例中的一种大直径泥水盾构机搅拌器性能模拟实验装置的俯视图。
图4为实施例中的一种大直径泥水盾构机搅拌器性能模拟实验装置的侧视图。
图1至图4中，各数字与构件的对应关系如下：1.储水箱，2.液位计，3.排水阀、4.进水管、5.回水管、6.水泵、7.背压阀、8.压力计、9.工作箱、10.橡胶刷、11.导轨、12.后盖板、13.模拟搅拌器、14.电机(或液压马达)、15.支撑平台、16.脚架。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明作进一步详细的说明，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
参照图1所示，本发明为一种大直径泥水盾构机搅拌器性能模拟实验装置，主要包括：储水箱1、液位计2、排水阀3、进水管4、回水管5、水泵6、背压阀7、压力计8、工作箱9、橡胶刷10、导轨11、后盖板12、模拟搅拌器13、电机(或液压马达)14、支撑平台15、脚架16。
其中储水箱1是一个有盖子的密封水箱，其主要作用是提供水源，在储水箱1中配备液位计2，用以观测储水箱1水位。储水箱1下方安装排水阀3，便于储水箱1中的水排出。储水箱1安装位置低于工作箱9，回水管5位置高于储水箱1水位线，进水管4一端与储水箱1连接，进水管4的另一端与工作箱9连接，在进水管4中安装水泵6。回水管5一端与储水箱1连接，一端与工作箱9连接，回水管5中安装背压阀7，背压阀7可通过改变开度进而改变工作箱9内部水压，可做不同压力下模拟搅拌器13搅拌实验。工作箱9形状为圆柱体型，圆柱设计与实际盾构机前端和开挖的圆形隧道形状相似，更接近搅拌器的实际环境。工作箱9的后端圆面板为金属材料，工作箱9筒壁以及前端圆面板为耐压透明材料，工作箱9后端圆面板处安装一个压力计8，便于工作箱9中压力的观测。由于工作箱内侧筒壁清洗难度大，工作箱9筒壁内部安装橡胶刷10，两侧安装导轨11。橡胶刷10固定在导轨11上，可沿导轨11做360°旋转，对筒壁进行全方位清洗，除去内壁污垢。工作箱9的后端圆面板安装一个后盖板12，与后端圆面板通过法兰连接，并通过密封垫保证密封，后盖板12可拆卸便于工作箱9内部的清洗，后盖板12外侧固定电机(或液压马达)14，内侧固定模拟搅拌器13，在后盖板12中打孔，电机(或液压马达)14与模拟搅拌器13通过联轴器连接并穿过后盖板12小孔，小孔处用盘根密封的方法进行密封，不同的模拟搅拌器13间距可用不同后盖板12固定。在工作箱9中添加示踪粒子，利用粒子图像测速仪(PIV)，对工作箱9内部流场变化进行拍摄。支撑平台15用于支撑工作箱9，脚架16使支撑平台15更加稳定。
具体操作步骤如下：
步骤一：在实验之前，卸掉后盖板12，利用橡胶刷10将工作箱9筒壁清洗干净，然后手动将前端圆面板清洗干净。将模拟搅拌器13与电机14固定在后盖板12上，连接模拟搅拌器13和电机(或液压马达)14的后盖板12小孔处通过盘根密封方式进行密封。将后盖板12通过法兰与工作箱9后端圆面板连接。将粒子图像测速仪放置合适的位置，将投光仪与相机的方向和角度调整好。
步骤二：打开储水箱1上盖板，在储水箱1中放入清水，水位要低于回水管5高度，通过液位计2可确定储水箱1的注水量，并在储水箱1中加入示踪粒子，将示踪粒子搅拌均匀。
步骤四：检查各个阀门是否正常，确认无误后，设置好背压阀7的开度以及水泵6的启动频率，然后启动水泵6。
步骤五：启动电机(或液压马达)14使模拟搅拌器13旋转，通过改变电机(或液压马达)14频率使达到合适的模拟搅拌器13旋转速度。
步骤六：在模拟搅拌器13转速稳定、工作箱9中水压稳定时，打开粒子图像测速仪，通过投光仪及固定支架将红外线投入工作箱9侧方，确定合适的实验面，调整相机的光圈和焦距，使粒子图像测速仪拍摄效果达到最好。几分钟后，等示踪粒子在整个实验装置水循环中分布均匀后，看示踪粒子分布是否达到实验条件，如果数量较少可继续在储水箱1中放入示踪粒子，等待相似时间后在示踪粒子分布均匀时即可继续模拟实验。打开工作站分析软件，通过相机对示踪粒子的捕捉做成像处理，进而分析模拟搅拌器13搅拌时的流场情况，通过图像及实验数据对模拟搅拌器13搅拌特性进行分析和研究。
步骤七：关闭粒子图像测速仪，同时关闭与模拟搅拌器13连接的电机(或液压马达)14。将背压阀7的开度调到最大，使工作箱9中水流入储水箱1中，打开储水箱1的排水阀3，将储水箱1中水放出。拆下后盖板12，通过橡胶刷10对工作箱9进行清洗。待工作箱9内部晾干后再装上后盖板12。清洗储水箱1，将储水箱1中水排完之后把上盖板盖住，关闭总电源。
步骤八：如果需要进行不同搅拌器间距、搅拌器大小的实验，可更换盖板，重新固定模拟搅拌器13和电机(或液压马达)14。如果需要进行不同搅拌器转速的实验，可改变电机(或液压马达)14频率。如果需要进行不同水压下的搅拌器实验，可改变背压阀7开度以及水泵6频率。如果需要做相似刀盘的实验，可更换后盖板12，用同样的方式连接相似刀盘。然后重复以上操作。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易实现本发明专利其他结构设计的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出的图例。

Claims (4)

1.一种大直径泥水盾构机搅拌器性能模拟实验装置，其特征在于：所述的模拟实验装置可以改变水压、搅拌器搅拌转速、搅拌器间距、搅拌器大小以及搅拌器形状对大直径泥水盾构机搅拌器系统的搅拌情况进行实验模拟；
所述的模拟实验装置包括储水箱、液位计、排水阀、进水管、回水管、水泵、背压阀、压力计、工作箱、橡胶刷、导轨、后盖板、模拟搅拌器、电机或液压马达、支撑平台、脚架，所述的储水箱(1)是一个有盖子的密封水箱，配备液位计(2)，并在储水箱(1)下侧安装排水阀(3)，储水箱(1)安装位置低于工作箱(9)，回水管(5)位置高于储水箱(1)水位线，进水管(4)一端与储水箱(1)连接，进水管4的另一端与工作箱(9)连接，在进水管(4)中安装水泵(6)，回水管(5)一端与储水箱(1)连接，一端与工作箱(9)连接，回水管(5)中安装背压阀(7)，背压阀(7)可通过改变开度进而改变工作箱(9)内部水压，所述的工作箱(9)形状为圆柱体型，后端圆面板为金属材料，工作箱(9)筒壁以及前端圆面板为耐压透明材料，工作箱(9)后端圆面板处安装一个压力计(8)，所述的工作箱(9)筒壁及一个圆面板为耐压透明材料，透明材质便于观察及监测，通过在工作箱(9)中添加示踪粒子，利用粒子图像测速仪(PIV)，对工作箱(9)内部流场变化进行拍摄。
2.根据权利要求1所述的一种大直径泥水盾构机搅拌器性能模拟实验装置，其特征在于：所述的工作箱(9)筒壁安装橡胶刷(10)，两侧安装导轨(11)，橡胶刷(10)固定在导轨(11)上，可沿导轨(11)做360°旋转。
3.根据权利要求1所述的一种大直径泥水盾构机搅拌器性能模拟实验装置，其特征在于：所述的工作箱(9)的后端圆面板安装一个后盖板(12)，与后端圆面板通过法兰连接，并通过密封垫保证密封，后盖板(12)可拆卸便于工作箱(9)内部的清洗。
4.根据权利要求1所述的一种大直径泥水盾构机搅拌器性能模拟实验装置，其特征在于：所述的后盖板(12)外侧固定电机或液压马达(14)，内侧固定模拟搅拌器(13)，在后盖板(12)中打孔，电机或液压马达(14)与模拟搅拌器(13)通过联轴器连接并穿过后盖板(12)小孔，小孔处用盘根密封的方法进行密封，不同的模拟搅拌器(13)间距可用不同后盖板(12)固定。
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