CN111337278A - Tbm掘进机模拟试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种TBM掘进机模拟试验装置及其试验方法，其特征在于，包括：加载器，其设置在模拟TBM掘进机的轴向前端，向模拟TBM掘进机施加荷载，具有，底座、设置在底座后侧的多个加载缸以及设置在多个加载缸末端，支承多个加载缸的载荷传递器；至少两组的模拟围岩，其具有座板和设于座板中心的圆筒形的模拟围岩面，与加载器同轴设置，轴心设有用于设置模拟TBM掘进机的开孔；多组内力平衡器，其穿过设置于底座和座板的多个对应位置处的工艺孔，沿轴线方向连结并紧固加载器与模拟围岩。根据本发明的TBM掘进机模拟试验装置，其通用性好可适用于各种TBM掘进机的模拟试验，并能够进行模拟各种工况而进行试验。

Description

TBM掘进机模拟试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及一种TBM掘进机模拟试验装置及其试验方法。

背景技术

目前，TBM掘进机作为隧道挖掘、矿山钻井的工具被广泛使用。但由于其体型庞大，制造成本高昂，难以在研发以及针对不同地质条件进行选择时，对其进行实际性能的测试，因此普遍使用TBM掘进机模拟试验装置。TBM掘进机模拟试验装置主要包括模拟加载系统、模拟TBM掘进机、模拟围岩、模拟驱动系统、模拟控制系统及辅助系统6个子系统，用于模拟TBM掘进机的掘进运动，测试其推进作业与切削性能。

现有的TBM掘进机模拟试验装置，多针对于某种特定类型的TBM掘进机而设计，在对不同类型的TBM掘进机进行对比模拟试验时，必须更换不同的TBM掘进机的试验装置，即TBM掘进机模拟试验装置不具有通用性，例如现有的主梁式TBM掘进机模拟试验装置，仅可用于主梁式TBM掘进机模拟试验。

现有的TBM掘进机模拟试验装置有的功能单一。例如，现有的用于软土切削的模拟盾构试验台，不包括用于测试硬岩切削的相关装备，不能用于模拟硬岩切削的TBM掘进机。现有的TBM掘进机模拟试验装置用于测试刀盘与刀具切削的力学性能，但其不包括模拟推进器及掘进运动所需的模拟控制系统，故无法模拟推进-支撑-换步作业运动，也无法做与推进性能相关的试验研究工作。

而且，现有的TBM掘进机模拟试验装置，有的只能采用主动方式加载，有的只能采用被动方式加载，导致其只具备掘进动力传递或掘进阻力传递性能测试两种试验功能中的一种。在测试试验时掘进机需静止不动，不可同时做模拟掘进运动。有的加载器不具备维载荷的加载能力，不能完全按所需要求施加规定的维数的推进力、调向力和调向力矩。有的加载器不具备变刚度能力，难于模拟掘进面软硬程度不均匀的工况条件，在掘进面施加所需的非均布的掘进载荷。因此，现有的试验装置均不能完全真实模拟TBM掘进机带负载运行时全面的掘进载荷的状态。

综上所述，现有的TBM掘进装置试验台及其试验方法存在以下问题：1)试验装备不具备自由组合功能，不能适应不同构型的TBM掘进机的测试试验的目的；2)模拟的掘进载荷真实性不足，难于准确模拟掘进面载荷分布不均的工况条件；3)有的只能采用主动方式加载，有的只能采用被动方式加载，导致其掘进动力传递或掘进阻力传递性能测试试验时，只具备两个试验功能中的一个，无法满足需要在同一试验台完成两个测试试验的需求。

发明内容

本发明有鉴于上述现有技术存在的问题，提供一种TBM掘进机模拟试验装置，其特征在于，包括：加载器，其设置在模拟TBM掘进机的轴向前端，向模拟TBM掘进机施加荷载，具有，底座、设置在底座后侧的多个加载缸以及设置在所述多个加载缸末端，支承所述多个加载缸的载荷传递器；至少两组的模拟围岩，其具有座板和设于所述座板中心的圆筒形的模拟围岩面，与所述加载器同轴设置，轴心设有用于设置模拟TBM掘进机的开孔；多组内力平衡器，其穿过设置于所述底座和所述座板的多个对应位置处的工艺孔，沿轴线方向连结并紧固所述加载器与所述模拟围岩。利用该模拟试验装置，能够在实验室内对TBM掘进机实际运行掘进时可能产生的问题进行模拟试验，例如对岩层结构变化、转向控制、掘进速度等各种工况的进行模拟，从而可在试验条件下解决预计到实际工作时可能面临的问题和风险，并对实际掘进作业提供数据支持，具有重大的实用意义。

优选本发明的TBM掘进机模拟试验装置中，所述多个加载缸的基端规则地分布设置在以所述底座中心为圆心的圆周上，在所述载荷传递器的前侧面，以相邻的两个所述加载缸为一组，使一组内的所述加载缸的末端彼此靠近而支承多个所述加载缸的末端，可装卸地设置在所述载荷传递器的所述加载缸相反侧面上的多个传力插销，所述传力插销用于与模拟TBM掘进机的模拟刀盘的边缘抵接，将来自各所述加载缸的加载力传递给模拟TBM掘进机的模拟刀盘，各所述加载缸的两端与所述底座和所述载荷传递器可摆动地连接。该加载器结构能够有效的模拟TBM掘进机在实际掘进作业时面临的各种加载情况，使模拟试验装置的模拟结果更为可靠。

优选本发明的TBM掘进机模拟试验装置中，所述模拟围岩具有第一座板、第二座板和筒形的第一围岩面，所述第一座板形成为在中心具有与所述第一围岩面的外径相配合的开口的形状，所述第二座板中心开孔并与围岩面2S形成为一体。利用模拟围岩，能够模拟TBM掘进机的工作环境，使试验结果准确可靠。

优选本发明的TBM掘进机模拟试验装置中，所述模拟围岩具有第三座板和第二围岩面，所述第三座板中心形成有用于嵌入所述第二围岩面的开孔，所述第二围岩面由将圆筒形利用通过中心轴的多个分割面分割的多个片段围岩面相拼合成圆筒形，并嵌入所述第二围岩面的开孔。该模拟围岩结构结构稳定强度大，能够提高模拟试验的范围。

优选发明的TBM掘进机模拟试验装置中，在所述内力平衡器包括双头螺纹拉杆、能够使所述双头螺纹拉杆穿过的多个撑杆，所述双头螺纹拉杆穿过轴线方向设置的所述底座和座板的相应的工艺孔，并在相邻的所述座板与所述底座以及相邻的底座之间设置所述撑杆，并利用螺母锁紧内力平衡器两端。利用内力平衡器限定各模拟围岩和加载装置的位置，提供稳定的试验用场景。

优选本发明的TBM掘进机模拟试验装置中，在所述多组模拟围岩内，设置模拟TBM掘进机，使模拟TBM掘进机的盘头、支撑器部分分别位于所述模拟围岩内。利用多组模拟围岩，能够减少试验装置的成本，并使TBM掘进机模拟机及加载装置的工作状况可见，可以随时发现试验中存在的问题，并予以纠正。

优选本发明的TBM掘进机模拟试验装置的试验方法，在所述多组模拟围岩内，设置模拟TBM掘进机，使模拟TBM掘进机的盘头、支撑器部分分别位于所述模拟围岩内，实施试验一～试验六的任一组，

<试验一>

本实施方式的TBM掘进机模拟试验装置可用于模拟常规的TBM掘进机的推进-支撑-换步-调向-纠偏作业的运动动作，

首先，基于图1所示的TBM掘进机模拟试验装置和模拟TBM掘进机3的配置方式，抽去传力插销1X，使模拟TBM掘进机3与加载器1两者脱开连接关系，从而可进行如下工作状态模拟，

1)切削运动，在不对加载器1施加载荷条件下，通过驱动模拟TBM掘进机3的模拟刀盘使其作回转运动，模拟TBM的切削运动；

2)支撑动作，通过驱动模拟TBM掘进机3的第一、第二模拟支撑器33、35，模拟TBM支撑动作；

3)推进、调向、纠偏动作，通过驱动模拟TBM掘进机3的第一、第二模拟推进器33、35，模拟TBM推进、调向或纠偏动作；

4)换步动作，对于具有换步器模拟TBM掘进机3，通过驱动模拟TBM掘进机3的模拟换步器来模拟TBM换步动作，

在模拟TBM支撑、推进、换步、调向和纠偏动作时，可同步测量并采集模拟TBM掘进机3的运动的位置与姿态参数，模拟TBM掘进机3的位置与姿态参数可由安装于模拟推进缸内的线位移传感器测得，

<试验二>

本实施方式的TBM掘进机模拟试验装置可用于模拟给定的TBM掘进机的转向作业，方法如下，

1)使模拟TBM掘进机3加大第一、第二模拟推进器32、34的前进方向左侧的液压推进缸的推进力或减小第一、第二模拟推进器32、34右侧的液压推进缸的推进力，使模拟TBM掘进机3向右侧转向作业，

2)反之，减小第一、第二模拟推进器32、34左侧的液压推进缸的推进力或加大第一、第二模拟推进器32、34右侧的液压推进缸的推进力，使模拟TBM掘进机2向左侧转向作业，

<试验三>

本实施方式的TBM掘进机模拟试验装置可用于模拟给定的TBM掘进机的调坡作业，方法如下，

1)使模拟TBM掘进机3加大第一、第二模拟推进器32、34中靠上侧的液压推进缸的推进力或减小第一、第二模拟推进器32、34靠下侧的液压推进缸的推进力，使模拟TBM掘进机3向下沉头，实现下坡调坡作业，

2)反之，减小第一、第二模拟推进器32、34靠上侧的液压推进缸的推进力或加大第一、第二模拟推进器32、34靠下侧的液压推进缸的推进力，使模拟TBM掘进机3向上仰头，实现上坡调坡作业，

<试验四>

本实施方式的TBM掘进机模拟试验装置可用于掘进动力传递性能测试试验，其方法如下，

基于图1所示的模拟试验装置，驱动模拟TBM掘进机3使其产生的掘进动力，该掘进动力通过传力插销1X传递至载荷传递器1T，迫使加载器1的液压加载缸1C缩回，产生被动加载载荷，通过实时测得的加载器1和模拟TBM掘进机3的位姿和所受载荷的测量，分析其动力传递性能，

<试验五>

本实施方式的TBM掘进机模拟试验装置可用于掘进阻力传递性能测试试验，其方法如下，

基于图1所示的模拟试验装置，驱动加载器1使其主动地产生的掘进阻力，通过载荷传递器1T及传力插销1X传递至模拟TBM掘进机3的模拟刀盘30，迫使模拟TBM掘进机3的第一和/或第二模拟推进器32、34的推进缸产生被动推力，通过实时测得的加载器1和模拟TBM掘进机3的位姿和所受载荷的测量，分析其阻力传递性能，

<试验六>

本实施方式的TBM掘进机模拟试验装置可用于模拟掘进环境变化不同的工况条件，包括对如下工况条件进行模拟，

1)通过变刚度器1K的设定，使各液压加载缸刚度不一致，从而模拟掘进面硬度不均的工况条件；

2)在模拟掘进过程中通过突然改变变刚度器1K的刚度，来模拟前方的掘进面硬度突然变软或突然变硬的工况条件；

3)通过关闭加载器1所有液压加载缸的出油口，模拟掘进面突然变得特硬的极端工况条件；

4)通过打开加载器1所有液压加载缸的出油口，使其突然失去掘进阻力，模拟掘进时突然遇到溶洞等极端工况条件，

以上，对基于本发明的TBM掘进机模拟试验装置的一个具体实施方式进行了详细说明，但通过对上述具体实施方式进行变更，可以利用本发明的TBM掘进机模拟试验装置进行各种情况的模拟试验。

基于本发明的TBM掘进机模拟试验装置，能够对TBM掘进机实际作业中遇到的各种工况和问题进行模拟，其模拟结果具有良好的可靠性，能够为实际生产作业提供准确的数据支持。

附图说明

图1为本发明一个实施方式的模拟试验装置的结构示意图；

图2为本发明一个实施方式的模拟试验装置去掉部分模拟围岩后的结构示意图；

图3是本发明一个实施方式的模拟试验装置的加载器的结构示意图；

图4是本发明一个实施方式的模拟试验装置中采用的模拟TBM掘进机的结构示意图；

图5是本发明另一个实施方式的模拟试验装置中采用的模拟TBM掘进机的结构示意图。

符号说明

1-加载器(加载装置)；

5-支承导轨；

2-模拟围岩；

2F、2B、2F’、2B’、2P-支承座板；

2S、2T、2S’-模拟围岩面；

3-模拟TBM掘进机；30-模拟刀盘；31-模拟支承环；32-第一模拟推进器；33-第一模拟支撑器；34-第二模拟推进器；35-第二模拟支撑器35；

4-内力平衡器；41～45-撑杆；46-双头螺纹拉杆；47-螺母；

1F-底座(固定基座)；1T-载荷传递器(活动基座)；1X-传力插销；1Q-加载缸；1C-无杆腔；1D-有杆腔；1QX、1QY-连接器(支点)；1K-变刚度器(第一重构阀)；1M-第二重构阀

具体实施方式

下面，结合附图以TBM掘进机模拟试验装置为例对本发明的加载装置的具体实施方式进行详细说明。

图1是本发明一个实施方式的TBM掘进机模拟试验装置的结构示意图；图2为本发明一个实施方式的模拟试验装置去掉部分模拟围岩后的结构示意图；图3是作为本发明一个实施方式的将加载装置应用于TBM掘进机模拟试验装置时的结构示意图。

如图1～图3所示，本实施方式的TBM掘进机模拟试验装置包括：加载器1、模拟围岩2、模拟TBM掘进机3、内力平衡器4、支承导轨5、模拟液压系统和模拟控制系统等功能模块。加载器1、模拟围岩2固定设置于作为支架的支承导轨5上。

加载器1具有：竖直支承于支承导轨5上的底座1F；设置在底座1F后侧，基端(前端)规则地分布设置在以底座1F中心为圆心的圆周上的多个加载缸1Q；支承多个加载缸1Q的末端的环形的载荷传递器1T；和可装卸地设置在载荷传递器1T的加载缸1Q相反侧(后侧)表面上的多个传力插销1X。传力插销1X用于使加载器1与模拟刀盘30的边缘抵接，从而将来自加载器1的各加载缸1Q的加载力传递给通过传力插销1X传递给模拟TBM掘进机3的模拟刀盘30。由于传力插销1X是可拆卸的结构，因此，能够使本实施方式的模拟试验装置在更多工作模式下进行测试，对此将在后述进行详细说明。

在本实施方式中，设置有6个加载缸1Q，各加载缸的基端(前端)在底座1F上周向距离相等分布。并且，以相邻两个加载缸1Q为一组，一组的加载缸1Q的末端彼此接近地设置于环形的载荷传递器1T前侧面，且每组加载缸1Q的设置位置在载荷传递器1T的周向上均匀分布。各加载缸1Q的基端(前端)和末端分别底座1F和载荷传递器1T以连接器1QX和连接器1QY连接，可自由摇晃。在图1所示的本实施方式中，连接器1QX和连接器1QY采用球形铰链，也可以使用万向铰链连接，只要能够使加载缸1Q两端能够分别定位于底座1F和载荷传递器1T且能够相对底座1F和载荷传递器1T自由摆动的摆动连接机构即可。但考虑到测试强度问题，优选采用球形铰链。如上所述构成的加载器1可调刚度且可重构构型，以对掘进面软硬程度不均匀的工况条件进行模拟，可根据需要施加1至6维的载荷，具有广泛的适用性。

在本实施方式中，模拟围岩2为中心镂空的结构，包括模拟掘进面21、前模拟支撑面22、后模拟支撑面23。模拟掘进面21、前模拟支撑面22、后模拟支撑面23彼此独立地固定于支承导轨5，中心筒形的镂空部彼此同轴(是否必要，有没有可能为了测试弯曲掘进而不同轴)。模拟围岩2的数量可以根据需要选择，可以仅使用模拟掘进面21，以及，前模拟支撑面22和后模拟支撑面23两者中的一者，对此将在后述进行详细说明。

对于模拟围岩2，根据需要采用不同的结构。在本实施方式中，模拟掘进面21和后模拟支撑面23采用双座板结构，前模拟支撑面22采用单座板结构。

以模拟掘进面21为例对双座板结构的模拟围岩2进行说明，模拟掘进面21具有前座板2F、后座板2B和筒形的围岩面2S，前座板2F形成为在中心具有与围岩面2S的外径相配合的开口的形状，后座板2B中心开孔并与围岩面2S形成为一体。前后座板2F、2B分别与支承导轨5固定。

以前模拟支撑面22为例对单座板结构的模拟围岩2进行说明，前模拟支撑面22具有支承座板2P和围岩面2T。支承座板2P中心形成有用于嵌入围岩面2T的开孔，围岩面2T呈圆筒形嵌入围岩面2T的中心孔内。在本实施方式中，围岩面2T形成为，由将圆筒形沿通过中心轴的多个分割面分割的多段拼合围岩面2T’相拼合的结构。由于前模拟支撑面22与模拟TBM掘进机3的支撑器相互作用，因此采用拼合结构的围岩面2T能够避免圆筒形围岩面变形造成模拟试验装置的模拟围岩面损坏，提高模拟TBM掘进机支撑的支撑力。另一方面，可以通过增大支承座板2P的厚度，利用支承座板2P提供对围岩面2T进行支撑的支撑力，能够大大提高模拟试验装置的试验范围。

在本实施方式中，加载器1、模拟围岩2利用内力平衡器4彼此连接定位。加载器1的底座1F和模拟围岩2的各座板2F、2B、2F’、2B’、2P形成为矩形(正方形)，在四角处分别开设有工艺孔。内力平衡器4包括穿过开设于加载器1的底座1F和模拟围岩2的各座板2F、2B、2F’、2B’、2P四角处的工艺孔的双头螺纹拉杆46，和设置在加载器1的底座1F和模拟围岩2的各座板2F、2B、2F’、2B’、2P之间，用于限制彼此之间的距离的多个撑杆41～45，并在双头螺纹拉杆46的两端，用螺母47将整个模拟装置在延伸方向上锁紧固定。

多个撑杆为中空的套筒形状，套在多个撑杆上，分别支撑在固定于支撑导轨5上的底座1与模拟围岩2之间以及各模拟围岩2之间，限定底座1与各模拟围岩2彼此之间的距离。

通过使双头螺纹拉杆46的直径小于工艺孔的直径，而撑杆41～45的直径大于工艺孔的直径，从而使得双头螺纹拉杆可穿过底座1F和各座板2F、2B、2F’、2B’、2P的对应的工艺孔，而撑杆41～45不能穿过工艺孔，可将螺纹拉杆配置在底座1F和各座板2F、2B、2F’、2B’、2P之间。

在本实施方式中，第一撑杆41设置在加载器1的底座1F与模拟掘进面21的前座板2F之间；第二撑杆42设置在模拟掘进面21的前座板2F与后座板2B之间；第三撑杆43设置在模拟掘进面21的后座板2B与前模拟支撑面22的支承座板2F之间；第四撑杆44设置在前模拟支撑面22的支承座板2F与后模拟支撑面23的前座板2F’之间；第五撑杆45设置在后模拟支撑面23的前座板2F’与后座板2B’之间。因此配置为使用双头螺纹拉杆46依此穿过加载器1的底座1F、第一撑杆41、模拟掘进面21的前座板2F、第二撑杆42、后座板2B、第三撑杆43、前模拟支撑面22的座板2P、第四撑杆44、后模拟支撑面23的前座板2F’、第五撑杆45、后座板2B’。然后在双头螺纹拉杆46前端和后端分别用第一、第二夹紧螺母67、68锁紧固定，从而使加载器底座1F、模拟掘进面21的前后座板2F、2B、前模拟支撑面22的座板2P、后模拟支撑面23的前后座板2F’、2B’用内力平衡器4连接，构成一个刚性结构，用于承担模拟试验装置在模拟掘进作业时的大的模拟推力和模拟切削力矩。

从而通过利用螺母锁紧内力平衡器4的双头螺纹拉杆两端的螺纹将模拟试验装置固定，并限制各部分彼此之间的相对位置，在进行模拟试验时平衡装置内部受力。

通过将模拟试验装置的加载器1和模拟围岩2的各底座及座板设置在支承导轨5上，利用内力平衡器4连接定位，并彼此固定使模拟试验装置的定位稳定、强度高，提高模拟试验装置的试验范围。

下面对将模拟TBM掘进机3设置于模拟试验装置的情况进行说明，为了便于观察，在图2中隐藏了模拟围岩2中的模拟掘进面21和前模拟支撑面22，而直接显示模拟TBM掘进机3在模拟围岩2中的设置状态。另外，图4是模拟TBM掘进机3的结构图。

如图1、2、4所示，模拟围岩2内架设有模拟TBM掘进机3，模拟TBM掘进机3从前端至后端依次包括作为头部的模拟刀盘30和模拟支承环31、第一模拟推进器32、第一模拟支撑器33、第二模拟推进器34以及第二模拟支撑器35。第一模拟推进器32连接模拟支撑和31和第一模拟支撑器33；第二模拟推进器34连接第一模拟支撑器33和第二模拟支撑器35。

在本实施方式中，第一模拟推进器32和第二模拟推进器34为六足并联装置，分别由一组6个的液压推进缸并联而成。第一模拟支撑器33和第二模拟支撑器35为三足并联装置，分别具有3个径向的支撑腿。在本实施方式中，对于每个支撑腿分别设置3个液压支撑缸，形成三足并联装置。

将模拟TBM掘进机3设置在模拟试验装置中，使作为头部的模拟刀盘30和模拟支撑盘31设置在模拟掘进面21内；第一模拟支撑器33设置在前模拟支撑面22内；第二模拟支撑器35设置在后模拟支撑面23内。第一模拟支撑器33和第二模拟支撑器35利用径向支撑腿向径向外侧推出施加支撑力，而使第一模拟支撑器33和第二模拟支撑器35分别支撑固定于模拟围岩2的前模拟支撑面22和后模拟支撑面23。

在本实施方式中，对模拟TBM掘进机3的第一模拟推进器32和第二模拟推进器34的各液压推进缸设置线位移传感器和缸压力传感器。液压推进缸线用于检测第一、第二模拟推进器32、34的各液压推进缸的活塞线位移量；缸压力传感器可以安装于液压推进缸的进油口处的液压回路，用于检测施加于液压推进缸的工作载荷的大小。

基于本实施方式的TBM掘进机模拟试验装置，由于各部分能够自由组合，因此能够针对各种工作状态进行模拟TBM掘进机的试验。

<试验一>

本实施方式的TBM掘进机模拟试验装置可用于模拟常规的TBM掘进机的推进-支撑-换步-调向-纠偏作业的运动动作。

首先，基于图1所示的TBM掘进机模拟试验装置和模拟TBM掘进机3的配置方式，抽去传力插销1X，使模拟TBM掘进机3与加载器1两者脱开连接关系。从而可进行如下工作状态模拟。

1)切削运动，在不对加载器1施加载荷条件下，通过驱动模拟TBM掘进机3的模拟刀盘使其作回转运动，模拟TBM的切削运动；

2)支撑动作，通过驱动模拟TBM掘进机3的第一、第二模拟支撑器33、35，模拟TBM支撑动作；

3)推进、调向、纠偏动作，通过驱动模拟TBM掘进机3的第一、第二模拟推进器33、35，模拟TBM推进、调向或纠偏动作；

4)换步动作，对于具有换步器模拟TBM掘进机3，通过驱动模拟TBM掘进机3的模拟换步器来模拟TBM换步动作。

在模拟TBM支撑、推进、换步、调向和纠偏动作时，可同步测量并采集模拟TBM掘进机3的运动的位置与姿态参数。模拟TBM掘进机3的位置与姿态参数可由安装于模拟推进缸内的线位移传感器测得。

<试验二>

本实施方式的TBM掘进机模拟试验装置可用于模拟给定的TBM掘进机的转向作业，方法如下。

1)使模拟TBM掘进机3加大第一、第二模拟推进器32、34的前进方向左侧的液压推进缸的推进力或减小第一、第二模拟推进器32、34右侧的液压推进缸的推进力，使模拟TBM掘进机3向右侧转向作业。

2)反之，减小第一、第二模拟推进器32、34左侧的液压推进缸的推进力或加大第一、第二模拟推进器32、34右侧的液压推进缸的推进力，使模拟TBM掘进机2向左侧转向作业。

<试验三>

本实施方式的TBM掘进机模拟试验装置可用于模拟给定的TBM掘进机的调坡作业，方法如下。

1)使模拟TBM掘进机3加大第一、第二模拟推进器32、34中靠上侧的液压推进缸的推进力或减小第一、第二模拟推进器32、34靠下侧的液压推进缸的推进力，使模拟TBM掘进机3向下沉头，实现下坡调坡作业。

2)反之，减小第一、第二模拟推进器32、34靠上侧的液压推进缸的推进力或加大第一、第二模拟推进器32、34靠下侧的液压推进缸的推进力，使模拟TBM掘进机3向上仰头，实现上坡调坡作业。

<试验四>

本实施方式的TBM掘进机模拟试验装置可用于掘进动力传递性能测试试验。其方法如下。

基于图1所示的模拟试验装置，驱动模拟TBM掘进机3使其产生的掘进动力，该掘进动力通过传力插销1X传递至载荷传递器1T，迫使加载器1的液压加载缸1Q缩回，产生被动加载载荷。通过实时测得的加载器1和模拟TBM掘进机3的位姿和所受载荷的测量，分析其动力传递性能。

<试验五>

本实施方式的TBM掘进机模拟试验装置可用于掘进阻力传递性能测试试验。其方法如下。

基于图1所示的模拟试验装置，驱动加载器1使其主动地产生的掘进阻力，通过载荷传递器1T及传力插销1X传递至模拟TBM掘进机3的模拟刀盘30，迫使模拟TBM掘进机3的第一和/或第二模拟推进器32、34的推进缸产生被动推力。通过实时测得的加载器1和模拟TBM掘进机3的位姿和所受载荷的测量，分析其阻力传递性能。

<试验六>

本实施方式的TBM掘进机模拟试验装置可用于模拟掘进环境变化不同的工况条件。包括对如下工况条件进行模拟。

1)通过变刚度器(第一重构阀，后述详细说明)1K的设定，使各液压加载缸刚度不一致，从而模拟掘进面硬度不均的工况条件；

2)在模拟掘进过程中通过突然改变变刚度器1K的刚度，来模拟前方的掘进面硬度突然变软或突然变硬的工况条件；

3)通过关闭加载器1所有液压加载缸的出油口，模拟掘进面突然变得特硬的极端工况条件；

4)通过打开加载器1所有液压加载缸的出油口，使其突然失去掘进阻力，模拟掘进时突然遇到溶洞等极端工况条件。

以上，对基于本发明的TBM掘进机模拟试验装置的一个具体实施方式进行了详细说明。但通过对上述具体实施方式进行变更，可以利用本发明的TBM掘进机模拟试验装置进行各种情况的模拟试验。

实施例2

图5是本发明另一个实施方式的模拟试验装置中采用的模拟TBM掘进机的结构示意图

本实例所采用的模拟加载器1、模拟围岩2、内力平衡器4、模拟液压系统、模拟控制系统与上述实施方式相同。不同之处在于，在本实施方式中，采用图5所示的模拟TBM掘进机3’替换如上述实施方式的图1和图4中所使用的模拟TBM掘进机3。也就是说，在本实施方式中，模拟TBM掘进机3’仅具有模拟刀盘30和模拟支承环31、第一模拟推进器32以及第一模拟支撑器33，而省略了第二模拟推进器34和第二模拟支撑器35。同样地，对于模拟围岩2来说，可以省略前模拟支撑面22以后的部分，即省略第四撑杆44、后模拟支撑面23及第五撑杆。

基于本发明的TBM掘进机模拟试验装置也可以针对本实施方式所示的模拟TBM掘进机3’进行与上述一个实施方式同样试验一～试验六。因此，本发明的TBM掘进机模拟试验装置能够对各种TBM掘进机的工作状况进行模拟，具有良好的通用性。

以上，以TBM掘进机模拟试验装置为例，对本发明的加载装置进行了详细说明。在TBM掘进机模拟试验装置中，本实施方式的加载装置可在全部所需要的六个维度上进行TBM掘进机的模拟试验。

下面，对本实施方式的TBM掘进机模拟试验装置中所使用的加载装置的结构，结合图3对其各加载缸控制的情形进行详细说明。但是作为本发明所涉及的加载装置的一个实施方式，本实施方式中使用的加载器1可应用多种工业控制、模拟试验的领域，进行主动加载、被动加载等多种加载模式的控制。作为加载装置1的固定基座1F，其设置在加载装置1的一端(图3的左端)；作为活动基座的1T的载荷传递器，其设置在加载装置的另一端。在固定基座和活动基座之间设置包括多个加载缸1Q的加载机构。加载机构包含6个加载缸，各加载缸1Q的一端与固定基座1F侧轴支承连接，另一端与活动基座1T侧轴支承连接。轴支承连接支点可以是球铰链连接或万向铰链连接，在本实施方式中使用球铰链连接。

在本实施方式中，6个加载缸1Q每两个一组而分为3组，各组加载缸1Q围绕固定基座和活动基座的中心轴在周向上均匀分布，各组各加载缸内的两个加载缸的一端在固定基座1F侧的轴支承连接支点1QX之间的彼此间距，与另一端在活动基座1T侧轴支承支点1QY之间的彼此间距不同。如图3所示，在本实施方式中，一组的两个加载缸1Q的固定基座1F侧的轴连支点1QX之间的距离大，而在活动基座1T侧的轴连支点1QY之间彼此接近。对于各组加载缸1Q而言，其同组内的两个加载缸1Q在固定基座1F和活动基座1T之间形成为大致三角形的稳定的轴承结构，而且，在本实施方式中如图3所示，在活动基座1T侧，3组加载缸1Q形成为大致三点的稳定支撑结构，其结构稳定且不存在重定位的问题。在各加载缸1Q的长度固定的情况下，可使活动基座1T相对于固定基座1F的位置刚性地固定。

在本实施方式中，各加载缸1Q具有无杆腔1C和有杆腔1D，各加载缸1Q设有作为变刚度器的控制阀的第一重构阀1K，第一重构阀1K在将无杆腔1C和有杆腔1D分别与各自的压力源相连接的第一状态；和将无杆腔1C、有杆腔1D与第一压力源相连接的第二状态之间切换。

第一重构阀1K具有A、B、P、T四个油口，作为一例其液压控制油路，以及与加载缸1Q的无杆腔1C的油口和有杆腔1D的油口的连接方式如图3所示。在图3所示的状态下，加载缸1Q处于无杆腔1C和有杆腔1D分别与各自的压力源相连接的第一状态，即可油口A与油口P连通，油口B与油口T连通，由此将两个压力源分别与无杆腔1C和有杆腔1D连通，与其一的压力源(在本实施方式中为无杆腔1C的压力源)连通，接受该压力源的压力。

这种情况下，设定各第一重构阀处于第一状态，以规定的压力和流量向各加载缸1Q的无杆腔1C供给加载流体，并使驻留在各加载缸1Q的有杆腔1D内的加载流体流出，而能够使加载装置进行主动加载。

或者是，以规定的压力和流量向各加载缸1Q的有杆腔1D供给加载流体，并使驻留在各加载缸1Q的无杆腔1C内的加载流体流出，从而可用加载装置进行被动加载的试验。由此，可利用第一重构阀对加载缸的驱动模式进行设定，实现加载缸通常的伸缩加载和连通无杆腔和有杆腔并加载的差动方式的加载。

另一方面，可以设定一部分的第一重构阀1K处于第一状态，向相应的加载缸1Q的无杆腔1C和/或有杆腔1D的加载流体施以规定的压力，而使相应的加载缸具有第一刚度，而设定另一部分的第一重构阀1K处于第二状态，向相应的加载缸1Q的加载流体施以规定的压力，此时，由于第一无杆腔1C和有杆腔1D的压力发生部分抵消，使得二者之间压力部分抵消，从而所产生的刚度发生变化，使相应的加载缸1Q具有相比上述第一刚度更小的第二刚度。由此，可利用第一重构阀实现加载装置刚度的调节，能够进行多种加载工作和测试工作。通过改变第一重构阀实现各加载缸1Q的刚度单独发生改变，从而导致加载装置刚度的变化。在其他因素不变的情况下，加载装置共有2的6次方种不同工作状态或刚度值。

另外在本实施方式中，在任意两个加载缸1Q之间设置第二重构阀1M。由于在本实施方式中具有6个加载缸1Q，因此最多可设置15个第二重构阀1M。第二重构阀1M连接任意两个加载缸1Q的无杆腔1C，可在连通相应的两个加载缸1Q的无杆腔1C的状态；和使该相应的两个加载缸1Q的无杆腔Q断开的状态之间切换。

设定任意的第二重构阀1M为使相应的两个加载缸1Q的无杆腔为连通或断开状态，以使相应的两个加载缸呈并联加载状态。可利用该第二重构阀实现机构构型的设定，实现任意两个加载缸之间的单独加载和并联加载。并可利用该第二重构阀实现机构构型的设定，实现任意两个加载缸之间的单独加载和并联加载。

并且，对于多个第一、第二重构阀1K、1M，可进行任意数量、种类的阀门动作切换的组合，从而使加载装置全部的加载缸以同一动作进行的整体加载，也可以实现部分加载缸或相关加载缸以各自的状态进行复杂的加载状态的控制。例如，

1)通过改变加载装置的各第二重构阀1M的状态，可控制其构型或独立可控制的驱动液压缸数；若加载装置的各第二重构阀的状态全部处于断开状态，即各加载缸1Q的无杆腔1C之间断开的状态下，加载装置重构为6自由度的6加载缸1Q并联装置，其6个加载缸1Q需要6个独立驱动用压力源，此时，加载机构具有完全确定的运动；

2)若加载装置的第二重构阀的位置全部处于连通状态，即本实施方式中的6各加载缸的无杆腔1C均连通的状态下，则加载装置重构为1自由度并联装置，其6个加载缸1Q仅需要1个独立驱动，加载机构因此具有5个不确定的相对运动；

3)若加载装置的第二重构阀部分处于连通状态，即部分的加载缸1Q的无杆腔1C之间连通，而另一部分因断开而处于独立供给驱动压力源的状态下时，根据情况加载装置重构为2～5自由度并联加载缸1Q，其6个加载缸1Q仅需要2～5个独立的驱动用压力源，相应地加载机构具有4～1个不确定的相对运动；

因此，加载装置可利用第二重构阀改变机构的刚度，理论上每两个不同的加载缸1Q之间均可设置二重构阀，按不同组合方式最多可设置15个第二重构阀，即加载装置最多可重构为2的15次方种不同构型。

因此，本实施方式的加载装置，第二重构阀设置于各组的加载缸之间。对于各组加载缸而言，可通过使各组内的加载缸1Q进行并联加载，消除加载时加载装置内部的作用力影响获得更多的构型可能。可实现加载装置内包括扭转、扭曲等复杂的加载模式的变化，具有更广泛的应用性。本实施方式的加载装置尤其适用于TBM掘进机模拟试验装置，可通过对第一、第二各重构阀的状态进行切换，实现TBM掘进机模拟试验装置的各种工作状态的模拟，从而能够事先判断TBM掘进机工作时可能遇到的问题，并相应的通过对各重构阀的状态进行切换，实现相应的加载动作，以期解决实际掘进时可能存在的问题，为TBM掘进机的应用探寻切实的试验依据，从而在实际使用TBM掘进机时，能够大大提高掘进效率，降低发生事故等的风险。尤其是，基于本实施方式的加载装置，且能够进行多维度多加载方式的动作，因此能够有效地对TBM掘进机实际工况进行模拟。并且，本实施方式的加载装置其结构简单，可靠性高成本优势显著。

以上，对本发明的优选实施方式进行了详细说明，但本发明的保护范围不限于上述具体实施方式所记载的内容，本领域技术人员能够在不脱离本发明主旨的范围内对上述各构成进行多种改变、变更和替换，而这些改变、变更和替换都涵盖在本发明权利要求所记载的范围内。

Claims (7)

1.一种TBM掘进机模拟试验装置，其特征在于，包括：

加载器，其设置在模拟TBM掘进机的轴向前端，向模拟TBM掘进机施加荷载，具有，底座、设置在底座后侧的多个加载缸以及设置在所述多个加载缸末端，支承所述多个加载缸的载荷传递器；

至少两组的模拟围岩，其具有座板和设于所述座板中心的圆筒形的模拟围岩面，与所述加载器同轴设置，轴心设有用于设置模拟TBM掘进机的开孔；

多组内力平衡器，其穿过设置于所述底座和所述座板的多个对应位置处的工艺孔，沿轴线方向连结并紧固所述加载器与所述模拟围岩。

2.如权利要求1所述的TBM掘进机模拟试验装置，其特征在于：

所述多个加载缸的基端规则地分布设置在以所述底座中心为圆心的圆周上，

在所述载荷传递器的前侧面，以相邻的两个所述加载缸为一组，使一组内的所述加载缸的末端彼此靠近而支承多个所述加载缸的末端，

可装卸地设置在所述载荷传递器的所述加载缸相反侧面上的多个传力插销，

所述传力插销用于与模拟TBM掘进机的模拟刀盘的边缘抵接，将来自各所述加载缸的加载力传递给模拟TBM掘进机的模拟刀盘，

各所述加载缸的两端与所述底座和所述载荷传递器可摆动地连接。

3.如权利要求1所述的TBM掘进机模拟试验装置，其特征在于：

所述模拟围岩具有第一座板、第二座板和筒形的第一围岩面，

所述第一座板形成为在中心具有与所述第一围岩面的外径相配合的开口的形状，所述第二座板中心开孔并与围岩面2S形成为一体。

4.如权利要求1所述的TBM掘进机模拟试验装置，其特征在于：

所述模拟围岩具有第三座板和第二围岩面，所述第三座板中心形成有用于嵌入所述第二围岩面的开孔，所述第二围岩面由将圆筒形利用通过中心轴的多个分割面分割的多个片段围岩面相拼合成圆筒形，并嵌入所述第二围岩面的开孔。

5.如权利要求1中任一项所述的TBM掘进机模拟试验装置，其特征在于：

在所述内力平衡器包括双头螺纹拉杆、能够使所述双头螺纹拉杆穿过的多个撑杆，

所述双头螺纹拉杆穿过轴线方向设置的所述底座和座板的相应的工艺孔，并在相邻的所述座板与所述底座以及相邻的底座之间设置所述撑杆，并利用螺母锁紧内力平衡器两端。

6.如权利要求1～5中任一项所述的TBM掘进机模拟试验装置，其特征在于：

在所述多组模拟围岩内，设置模拟TBM掘进机，使模拟TBM掘进机的盘头、支撑器部分分别位于所述模拟围岩内。

7.如权利要求1～5中任一项所述的TBM掘进机模拟试验装置的试验方法，其特征在于：

在所述多组模拟围岩内，设置模拟TBM掘进机，使模拟TBM掘进机的盘头、支撑器部分分别位于所述模拟围岩内，实施试验一～试验六的任一组，

<试验一>

本实施方式的TBM掘进机模拟试验装置可用于模拟常规的TBM掘进机的推进-支撑-换步-调向-纠偏作业的运动动作，

首先，基于图1所示的TBM掘进机模拟试验装置和模拟TBM掘进机3的配置方式，抽去传力插销1X，使模拟TBM掘进机3与加载器1两者脱开连接关系，从而可进行如下工作状态模拟，

1)切削运动，在不对加载器1施加载荷条件下，通过驱动模拟TBM掘进机3的模拟刀盘使其作回转运动，模拟TBM的切削运动；

2)支撑动作，通过驱动模拟TBM掘进机3的第一、第二模拟支撑器33、35，模拟TBM支撑动作；

3)推进、调向、纠偏动作，通过驱动模拟TBM掘进机3的第一、第二模拟推进器33、35，模拟TBM推进、调向或纠偏动作；

4)换步动作，对于具有换步器模拟TBM掘进机3，通过驱动模拟TBM掘进机3的模拟换步器来模拟TBM换步动作，

在模拟TBM支撑、推进、换步、调向和纠偏动作时，可同步测量并采集模拟TBM掘进机3的运动的位置与姿态参数，模拟TBM掘进机3的位置与姿态参数可由安装于模拟推进缸内的线位移传感器测得，

<试验二>

本实施方式的TBM掘进机模拟试验装置可用于模拟给定的TBM掘进机的转向作业，方法如下，

1)使模拟TBM掘进机3加大第一、第二模拟推进器32、34的前进方向左侧的液压推进缸的推进力或减小第一、第二模拟推进器32、34右侧的液压推进缸的推进力，使模拟TBM掘进机3向右侧转向作业，

2)反之，减小第一、第二模拟推进器32、34左侧的液压推进缸的推进力或加大第一、第二模拟推进器32、34右侧的液压推进缸的推进力，使模拟TBM掘进机2向左侧转向作业，

<试验三>

本实施方式的TBM掘进机模拟试验装置可用于模拟给定的TBM掘进机的调坡作业，方法如下，

1)使模拟TBM掘进机3加大第一、第二模拟推进器32、34中靠上侧的液压推进缸的推进力或减小第一、第二模拟推进器32、34靠下侧的液压推进缸的推进力，使模拟TBM掘进机3向下沉头，实现下坡调坡作业，

2)反之，减小第一、第二模拟推进器32、34靠上侧的液压推进缸的推进力或加大第一、第二模拟推进器32、34靠下侧的液压推进缸的推进力，使模拟TBM掘进机3向上仰头，实现上坡调坡作业，

<试验四>

本实施方式的TBM掘进机模拟试验装置可用于掘进动力传递性能测试试验，其方法如下，

基于图1所示的模拟试验装置，驱动模拟TBM掘进机3使其产生的掘进动力，该掘进动力通过传力插销1X传递至载荷传递器1T，迫使加载器1的液压加载缸1C缩回，产生被动加载载荷，通过实时测得的加载器1和模拟TBM掘进机3的位姿和所受载荷的测量，分析其动力传递性能，

<试验五>

本实施方式的TBM掘进机模拟试验装置可用于掘进阻力传递性能测试试验，其方法如下，

基于图1所示的模拟试验装置，驱动加载器1使其主动地产生的掘进阻力，通过载荷传递器1T及传力插销1X传递至模拟TBM掘进机3的模拟刀盘30，迫使模拟TBM掘进机3的第一和/或第二模拟推进器32、34的推进缸产生被动推力，通过实时测得的加载器1和模拟TBM掘进机3的位姿和所受载荷的测量，分析其阻力传递性能，

<试验六>

本实施方式的TBM掘进机模拟试验装置可用于模拟掘进环境变化不同的工况条件，包括对如下工况条件进行模拟，

1)通过变刚度器1K的设定，使各液压加载缸刚度不一致，从而模拟掘进面硬度不均的工况条件；

2)在模拟掘进过程中通过突然改变变刚度器1K的刚度，来模拟前方的掘进面硬度突然变软或突然变硬的工况条件；

3)通过关闭加载器1所有液压加载缸的出油口，模拟掘进面突然变得特硬的极端工况条件；

4)通过打开加载器1所有液压加载缸的出油口，使其突然失去掘进阻力，模拟掘进时突然遇到溶洞等极端工况条件，

以上，对基于本发明的TBM掘进机模拟试验装置的一个具体实施方式进行了详细说明，但通过对上述具体实施方式进行变更，可以利用本发明的TBM掘进机模拟试验装置进行各种情况的模拟试验。

Images