CN111024902A - 一种模拟泥饼形成及去除机理的实验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟泥饼形成及去除机理的实验装置及方法，包括呈矩形的钢结构框架，设于钢结构框架下部的若干个推进油缸，设于各个推进油缸上部并与各个油缸连接的法兰，设于法兰上的土仓，设于钢结构框架上部的输出轴，输出轴的一端与钢结构框架固定连接，输出轴的另一端与微型刀盘连接，输出轴上设有与输出轴固定连接的固定架，钢结构框架上方设有电机和与电机连接的蜗杆减速器；各个推进油缸均与钢结构框架的底部固定连接，土仓与法兰为可拆卸连接，固定架位于微型刀盘上方，蜗杆减速器与输出轴连接。本发明具有如下有益效果：本发明的装置具有结构简单、可测温度、扭矩、力且能根据刀盘、地层特点进行不同实验的特点，前瞻性搭载超声探头，还可以模拟化学分散剂等方法作用下去除泥饼的效果，为盾构设计及应用阶段的决策提供实验支撑，在该领域具有积极的效果。

Description

一种模拟泥饼形成及去除机理的实验装置与方法

技术领域

本发明涉及盾构施工技术领域，尤其是涉及一种模拟泥饼形成及去除机理的实验装置与方法。

背景技术

盾构作为一种机械化施工装备被广泛应用在地铁、公路、综合管廊的修建中，具有施工速度快、机械化程度高的优点。在特定地层，比如黏土、泥岩地层盾构在施工过程中刀盘面板会被泥饼糊住，刀具无法有效对土层进行切削，会产生掘进效率低、地层扰动大，而且泥饼与地层长时间的摩擦会产生大量的热，容易让主轴承密封失效的问题。为了方便对泥饼形成过程进行模拟以及评价不同去除泥饼方法的有效性，设计一套设备实验装置对泥饼产生、去除过程进行模拟，对盾构刀盘设计、施工现场泥饼去除方法验证均具有较大的益处。

发明内容

本发明为了克服现有技术中特定地层施工中，刀盘被泥饼包裹，无法对土层进行有效切削，掘进效率低、地层扰动大，泥饼与地层长时间摩擦产生大量的热易使主轴承密封失效的问题，提出了一种模拟泥饼形成及去除机理的实验装置与方法。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种模拟泥饼形成及去除机理的实验装置，包括呈矩形的钢结构框架，设于钢结构框架下部的若干个推进油缸，设于各个推进油缸上部并与各个油缸连接的法兰，设于法兰上的土仓，设于钢结构框架上部的输出轴，输出轴的一端与钢结构框架固定连接，输出轴的另一端与微型刀盘连接，输出轴上设有与输出轴固定连接的固定架，钢结构框架上方设有电机和与电机连接的蜗杆减速器；各个推进油缸均与钢结构框架的底部固定连接，土仓与法兰为可拆卸连接，固定架位于微型刀盘上方，蜗杆减速器与输出轴连接。

通过控制推进油缸运动，土仓在垂直方向运动，微型刀盘在电机驱动下发生旋转，可模拟盾构刀盘切削土体。钢结构框架为方形钢结构框架，为提高结构刚性钢结构内布有桁架，钢结构框架留有空间便于土仓取出和安装，钢结构框架上部预留减振支座便于电动机、蜗杆减速器的安装。

固定架与输出轴通过对顶螺母连接，保持相对位置的固定，固定架与输出轴之间无相对回转。

作为优选，所述输出轴上设有力传感器及扭矩传感器，力传感器及扭矩传感器均位于固定架和微型刀盘之间。

作为优选，所述微型刀盘上设有超声探头和温度传感器探头，超声探头和温度传感器探头分别位于微型刀盘的左右两侧；所述固定架上设有超声波发生器和温度传感器，超声波发生器与超声探头电连接，温度传感器与温度传感器探头电连接。

作为优选，所述微型刀盘呈圆形，微型刀盘是根据真实刀盘按照一定比例微缩制成，输出轴与微型刀盘的圆心处连接。

作为优选，所述土仓为圆筒状，土仓的直径大于微型刀盘的直径，土仓的上部开口，土仓的下部设有凸缘，凸缘与法兰连接。

作为优选，所述电机为变频电机，电机与蜗杆减速机通过挠性联轴器连接；所述推进油缸上设有位移传感器和压力变送器。位移传感器可采用拉绳位移传感器但不限于此拉绳位移传感器，能够对行程进行实时测量，压力变送器便于对油压进行采集。

作为优选，模拟泥饼形成及去除机理的实验装置还包括设于钢结构框架外部的中央控制模块，设于钢结构框架内部的液压模块，中央控制模块分别与液压模块、电机、力传感器、扭矩传感器、超声波发生器、温度传感器、位移传感器和压力变送器电连接。

中央控制模块通过PLC控制对推进油缸的运动进行控制，控制输出轴的转速，采集温度传感器、扭矩传感器、力传感器的数据。

一种基于模拟泥饼形成及去除机理的实验装置的方法，包括以下步骤：

(8-1)从特定地层中取土样放入土仓中夯实，然后将土仓安装在法兰上；

(8-2)按照直径小于土仓直径的比例制作微型刀盘，将微型刀盘与输出轴连接，将超声探头、温度传感器探头安装在微型刀盘上，将超声探头与超声波发生器连接，温度传感器探头与温度传感器连接，对温度传感器和超声发生器进行检查确认能正常工作；

(8-3)检查力传感器、扭矩传感器确认处于正常状态；

(8-4)在微型刀盘处于静止且未与土体接触的状态时，记录力传感器的测量值，并将测量值转换为质量，记为m_刀盘；

(8-5)模拟泥饼形成机理实验；

(8-6)模拟泥饼去除机理实验。

步骤(8-5)包括以下步骤：

(9-1)如果模拟泥水盾构，将配置好的泥浆注入至微型刀盘中，如果模拟土压盾构则可注入渣土改良泡沫；

(9-2)按照位移加载控制方式或力加载方式，让微型刀盘与土仓内的土体作用，作用一定时间后，让微型刀盘和土体脱离接触，在微型刀盘静止后，依据力传感器测量值转换为质量，记为m₁，微型刀盘上的土体质量m_土体为m₁-m_刀盘；

(9-3)周期性的让微型刀盘和土体作用并脱离接触，进而计算微型刀盘上的土体质量随时间的变化曲线，获得泥饼生成过程规律曲线；

(9-4)通过

计算微型刀盘结泥饼的程度，通过扭矩传感器和温度传感器采集的数据来分析泥饼形成过程中扭矩和温度的变化规律。

步骤(8-6)包括以下步骤：

(10-1)如果模拟超声去除泥饼效果，开启超声波发生器，利用超声探头的超声去除泥饼；如果模拟分散剂去除泥饼效果，将分散剂注入至微型刀盘中并浸泡；如果模拟分散剂和超声的联合去除泥饼效果，将分散剂注入至微型刀盘中，开启超声波发生器，利用超声探头的超声和分散剂去除泥饼；

(10-2)微型刀盘与土层作用一定时间后，让刀盘和土体脱离接触，在刀盘静止后，依据力传感器的测量值转换为质量，记为m₂，微型刀盘上的土体质量m_土体1为m₂-m_刀盘；

(10-3)在泥饼溶解过程中周期性的测量力传感器上的土体质量，获得在分散剂、超声波或分散剂与超声波联合作用下的泥饼溶解随时间的规律，泥饼溶解过程中的周期性选择与泥饼形成过程相同；

(10-4)通过

计算微型刀盘结泥饼的程度并与先前计算的结泥饼的结果进行对比，如果泥饼溶解过程的结泥饼比率小于泥饼形成过程中的结泥饼比率，则该泥饼溶解过程是有效过程。

力传感器测量所得的力为F，通过牛顿定律F＝mg，g为重力加速度，即可得到对应的质量m。

因此，本发明具有如下有益效果：

本发明的一种模拟泥饼形成和去除机理的实验装置及方法，能够模拟土压盾构或泥水盾构施工中泥饼的形成并监测温度、扭矩的变化，可借助刀盘粘附的土体质量来评估结泥饼的程度。本发明的装置具有结构简单、可测温度、扭矩、力且能根据刀盘、地层特点进行不同实验的特点，前瞻性搭载超声探头，还可以模拟化学分散剂等方法作用下去除泥饼的效果，为盾构设计及应用阶段的决策提供实验支撑，在该领域具有积极的效果。

附图说明

图1是本发明的模拟泥饼形成和去除机理的实验装置的一种结构示意图。

图中，钢结构框架1，推进油缸2，液压模块3，法兰4，土仓5，微型刀盘6，超声探头7，温度传感器探头8，超声波发生器9，温度传感器10，力传感器11，扭矩传感器12，固定架13，输出轴14，电机15，蜗杆减速器16，中央控制模块17。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步描述：

如图1所示的实施例是一种模拟泥饼形成和去除机理的实验装置，包括呈矩形的钢结构框架1，设于钢结构框架下部的若干个推进油缸2，设于各个推进油缸上部并与各个油缸连接的法兰4，设于法兰上的土仓5，设于钢结构框架上部的输出轴14，输出轴的一端与钢结构框架固定连接，输出轴的另一端与微型刀盘6连接，输出轴上设有与输出轴固定连接的固定架13，钢结构框架上方设有电机15和与电机连接的蜗杆减速器16；各个推进油缸均与钢结构框架的底部固定连接，土仓与法兰为可拆卸连接，固定架位于微型刀盘上方，蜗杆减速器与输出轴连接。输出轴上设有力传感器11及扭矩传感器12，力传感器及扭矩传感器均位于固定架和微型刀盘之间。微型刀盘上设有超声探头7和温度传感器探头8，超声探头和温度传感器探头分别位于微型刀盘的左右两侧；所述固定架上设有超声波发生器9和温度传感器10，超声波发生器与超声探头电连接，温度传感器与温度传感器探头电连接。

实验装置还包括设于钢结构框架外部的中央控制模块17，设于钢结构框架内部的液压模块3，中央控制模块分别与液压模块、电机、力传感器、扭矩传感器、超声波发生器、温度传感器、位移传感器和压力变送器电连接。

土仓为圆筒状，土仓的直径大于微型刀盘的直径，土仓的上部开口，土仓的下部设有凸缘，凸缘与法兰连接。

微型刀盘呈圆形，微型刀盘是根据真实刀盘按照一定比例微缩制成，微型刀盘的直径略小于土仓的直径，输出轴与微型刀盘的圆心处连接。

电机为变频电机，电机与蜗杆减速机通过挠性联轴器连接；推进油缸上设有位移传感器和压力变送器。

一种基于实施例的模拟泥饼形成及去除机理的实验装置的方法，包括以下步骤：

步骤S1：从特定地层中取土样放入土仓中夯实，模拟盾构掘进中的土层，然后将土仓安装在法兰上；推进油缸一旦运动便可带动土仓沿竖直方向运动；

步骤S2：按照直径小于土仓直径的比例制作微型刀盘，将微型刀盘与输出轴连接，将超声探头、温度传感器探头安装在微型刀盘上，将超声探头与超声波发生器连接，温度传感器探头与温度传感器连接，对温度传感器和超声发生器进行检查确认能正常工作；

步骤S3：检查力传感器、扭矩传感器确认处于正常状态；

步骤S4：在微型刀盘处于静止且未与土体接触的状态时，记录力传感器的测量值，并将测量值转换为质量，记为m_刀盘；

步骤S5：模拟泥饼形成机理实验；

步骤S51：如果模拟泥水盾构，将配置好的泥浆注入至微型刀盘中，如果模拟土压盾构则可注入渣土改良泡沫；

步骤S52：按照位移加载控制方式或力加载方式，让微型刀盘与土仓内的土体作用，作用一定时间后，让微型刀盘和土体脱离接触，在微型刀盘静止后，依据力传感器测量值转换为质量，记为m₁，微型刀盘上的土体质量m_土体为m₁-m_刀盘；

步骤S53：周期性的让微型刀盘和土体作用并脱离接触，进而计算微型刀盘上的土体质量随时间的变化曲线，获得泥饼生成过程规律曲线；

步骤S54：通过

计算微型刀盘结泥饼的程度，该值越大表明粘附的土越多，刀盘越容易结泥饼；通过扭矩传感器和温度传感器采集的数据来分析泥饼形成过程中扭矩和温度的变化规律；

步骤S6：模拟泥饼去除机理实验；

步骤S61：如果模拟超声去除泥饼效果，开启超声波发生器，利用超声探头的超声去除泥饼；如果模拟分散剂去除泥饼效果，将分散剂注入至微型刀盘中并浸泡；如果模拟分散剂和超声的联合去除泥饼效果，将分散剂注入至微型刀盘中，开启超声波发生器，利用超声探头的超声和分散剂去除泥饼；

步骤S62：微型刀盘与土层作用一定时间后，让刀盘和土体脱离接触，在刀盘静止后，依据力传感器的测量值转换为质量，记为m₂，微型刀盘上的土体质量m_土体1为m₂-m_刀盘；

步骤S63：在泥饼溶解过程中周期性的测量力传感器上的土体质量，获得在分散剂、超声波或分散剂与超声波联合作用下的泥饼溶解随时间的规律，泥饼溶解过程中的周期性选择与泥饼形成过程相同；

步骤S64：通过

计算微型刀盘结泥饼的程度并与先前计算的结泥饼的结果进行对比，如果泥饼溶解过程的结泥饼比率小于泥饼形成过程中的结泥饼比率，则该泥饼溶解过程是有效过程。

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种模拟泥饼形成及去除机理的实验装置，其特征是，包括呈矩形的钢结构框架(1)，设于钢结构框架下部的若干个推进油缸(2)，设于各个推进油缸上部并与各个油缸连接的法兰(4)，设于法兰上的土仓(5)，设于钢结构框架上部的输出轴(14)，输出轴的一端与钢结构框架固定连接，输出轴的另一端与微型刀盘(6)连接，输出轴上设有与输出轴固定连接的固定架(13)，钢结构框架上方设有电机(15)和与电机连接的蜗杆减速器(16)；各个推进油缸均与钢结构框架的底部固定连接，土仓与法兰为可拆卸连接，固定架位于微型刀盘上方，蜗杆减速器与输出轴连接。

2.根据权利要求1所述的模拟泥饼形成及去除机理的实验装置，其特征是，所述输出轴上设有力传感器(11)及扭矩传感器(12)，力传感器及扭矩传感器均位于固定架和微型刀盘之间。

3.根据权利要求1所述的模拟泥饼形成及去除机理的实验装置，其特征是，所述微型刀盘上设有超声探头(7)和温度传感器探头(8)，超声探头和温度传感器探头分别位于微型刀盘的左右两侧；所述固定架上设有超声波发生器(9)和温度传感器(10)，超声波发生器与超声探头电连接，温度传感器与温度传感器探头电连接。

4.根据权利要求1所述的模拟泥饼形成及去除机理的实验装置，其特征是，所述微型刀盘呈圆形，微型刀盘是根据真实刀盘按照一定比例微缩制成，输出轴与微型刀盘的圆心处连接。

5.根据权利要求4所述的模拟泥饼形成及去除机理的实验装置，其特征是，所述土仓为圆筒状，土仓的直径大于微型刀盘的直径，土仓的上部开口，土仓的下部设有凸缘，凸缘与法兰连接。

6.根据权利要求1所述的模拟泥饼形成及去除机理的实验装置，其特征是，所述电机为变频电机，电机与蜗杆减速机通过挠性联轴器连接；所述推进油缸上设有位移传感器和压力变送器。

7.根据权利要求1或2或3或或4或5或6所述的模拟泥饼形成及去除机理的实验装置，其特征是，还包括设于钢结构框架外部的中央控制模块(17)，设于钢结构框架内部的液压模块(3)，中央控制模块分别与液压模块、电机、力传感器、扭矩传感器、超声波发生器、温度传感器、位移传感器和压力变送器电连接。

8.一种基于权利要求1或2或3所述的模拟泥饼形成及去除机理的实验装置的方法，其特征是，包括以下步骤：

(8-1)从特定地层中取土样放入土仓中夯实，然后将土仓安装在法兰上；

(8-2)按照直径小于土仓直径的比例制作微型刀盘，将微型刀盘与输出轴连接，将超声探头、温度传感器探头安装在微型刀盘上，将超声探头与超声波发生器连接，温度传感器探头与温度传感器连接，对温度传感器和超声发生器进行检查确认能正常工作；

(8-3)检查力传感器、扭矩传感器确认处于正常状态；

(8-4)在微型刀盘处于静止且未与土体接触的状态时，记录力传感器的测量值，并将测量值转换为质量，记为m_刀盘；

(8-5)模拟泥饼形成机理实验；

(8-6)模拟泥饼去除机理实验。

9.根据权利要求8所述的模拟泥饼形成及去除机理的实验装置的方法，其特征是，步骤(8-5)包括以下步骤：

(9-1)如果模拟泥水盾构，将配置好的泥浆注入至微型刀盘中，如果模拟土压盾构则可注入渣土改良泡沫；

(9-2)按照位移加载控制方式或力加载方式，让微型刀盘与土仓内的土体作用，作用一定时间后，让微型刀盘和土体脱离接触，在微型刀盘静止后，依据力传感器测量值转换为质量，记为m₁，微型刀盘上的土体质量m_土体为m₁-m_刀盘；

(9-3)周期性的让微型刀盘和土体作用并脱离接触，进而计算微型刀盘上的土体质量随时间的变化曲线，获得泥饼生成过程规律曲线；

(9-4)通过

计算微型刀盘结泥饼的程度，通过扭矩传感器和温度传感器采集的数据来分析泥饼形成过程中扭矩和温度的变化规律。

10.根据权利要求8所述的模拟泥饼形成及去除机理的实验装置的方法，其特征是，步骤(8-6)包括以下步骤：

(10-1)如果模拟超声去除泥饼效果，开启超声波发生器，利用超声探头的超声去除泥饼；如果模拟分散剂去除泥饼效果，将分散剂注入至微型刀盘中并浸泡；如果模拟分散剂和超声的联合去除泥饼效果，将分散剂注入至微型刀盘中，开启超声波发生器，利用超声探头的超声和分散剂去除泥饼；

(10-2)微型刀盘与土层作用一定时间后，让刀盘和土体脱离接触，在刀盘静止后，依据力传感器的测量值转换为质量，记为m₂，微型刀盘上的土体质量m_土体1为m₂-m_刀盘；

(10-3)在泥饼溶解过程中周期性的测量力传感器上的土体质量，获得在分散剂、超声波或分散剂与超声波联合作用下的泥饼溶解随时间的规律，泥饼溶解过程中的周期性选择与泥饼形成过程相同；

(10-4)通过

计算微型刀盘结泥饼的程度并与先前计算的结泥饼的结果进行对比，如果泥饼溶解过程的结泥饼比率小于泥饼形成过程中的结泥饼比率，则该泥饼溶解过程是有效过程。

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