CN113137447A - 盾构管片自适应减振抗冲击装置及盾构管片安装结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构管片自适应减振抗冲击装置及盾构管片安装结构，包括若干能够合围成圆筒状结构的盾构管片以及用于紧固相邻盾构管片的管片螺栓，各个所述盾构管片均开设有与盾构管片自适应减振抗冲击装置相适应的装置安装槽，各个管片螺栓的两端分别穿过对应盾构管片自适应减振抗冲击装置的螺栓过孔后，能够使管片连接环套靠近装置安装槽的一端端面与装置安装槽的槽底抵接，以锁定相邻的盾构管片。采用以上技术方案，通过实时监测管片螺栓的实际受力情况，根据检测情况自适应调节磁流变液的流动特性和磁流变弹性体的减振特性，达到极佳的减振和抗冲击效果，大幅延长了盾构管片及管片螺栓的疲劳寿命，避免发生过载损坏而导致隧道损毁。

Description

盾构管片自适应减振抗冲击装置及盾构管片安装结构

技术领域

本发明涉及盾构管片拼装技术领域，具体涉及一种盾构管片自适应减振抗冲击装置及盾构管片安装结构。

背景技术

近年来，盾构隧道作为城市轨道交通的主要形式获得迅猛发展，运营期的隧道结构健康与安全已经成为一个非常重要的课题，盾构管片是盾构隧道的主要构件，通过管片螺栓连接盾构管片组合形成的隧道衬砌是城市地铁盾构隧道的最内层屏障，也是保持隧道结构功能完好、不发生损毁破坏的唯一保障，其承担着因土层压力、地下水压力以及列车行车过程中交变载荷产生的振动与冲击的隔离与缓冲作用。

目前大部城市地铁隧道衬砌的振动与冲击的隔离与缓冲主要是针对管片受到单一的振动或者是冲击激励而加强管片本体结构强度、添加摩擦橡胶或者是加强连接螺栓的结构设计，这些方式都无法满足隧道衬砌受到的动态载荷实际的结构健康与安全的要求。近年来磁流变技术的发展，使得磁流变阻尼装置获得越来越广泛的应用，磁流变阻尼器以其简易的结构、连续逆顺可调且范围大的阻尼力及快速的响应和优良的稳定性等特点，以在汽车悬架系统、斜拉桥拉索振动控制、高层建筑隔振及海洋平台减振等领域得到应用，展现出了良好的应用前景。但是，目前的磁流变阻尼器或者磁流变隔振器适用对象都是单一的振动或者冲击激励，不能自适应多种激励下的振动与缓冲，具有很大的局限性。

发明内容

为解决以上的技术问题，本发明提供了一种盾构管片自适应减振抗冲击装置及盾构管片安装结构。

其技术方案如下：

一种盾构管片自适应减振抗冲击装置，其要点在于，包括活塞筒、弹性地支撑在活塞筒内腔中的活塞头、同轴地设置在活塞头两端的螺栓连接活塞杆以及弹性地外套在活塞筒上的管片连接环套；

所述活塞头与两根螺栓连接活塞杆具有同轴贯穿的螺栓过孔，并能够克服弹力同步地相对活塞筒轴向移动，所述活塞头与活塞筒的内腔腔壁之间充满磁流变液，两根螺栓连接活塞杆均向外穿出活塞筒；

所述活塞筒的外周面上分布有均向外凸出的安装座，所述管片连接环套与活塞筒之间留有间隙，并具有与对应安装座相适应的安装槽，各个安装座分别插入对应的安装槽中，并在各个安装座沿活塞筒轴向的两侧均设置有磁流变弹性体，各个磁流变弹性体分别支撑在对应安装座和安装槽之间，至少一个磁流变弹性体与相邻安装座之间设置有压力传感器；

在所述活塞筒的内腔中设置有励磁线圈，所述压力传感器能够将检测数据传递给控制组件，使控制组件调节励磁线圈的电流，从而调节励磁线圈激发的磁场强度，以改变磁流变液的流动特性和磁流变弹性体的减振特性。

采用以上结构，管片螺栓安装在螺栓过孔中，管片螺栓受到的作用力经活塞头和螺栓连接活塞杆传递给活塞筒，再经安装座传递给管片连接环套，最终由管片连接环套传递到盾构管片上；通过压力传感器检测各个安装座的受力变化，并将检测数据传递给控制组件，传递给控制组件能够计算出活塞头与螺栓连接活塞杆的受力大小与方向，从而调节励磁线圈的电流，即改变励磁线圈激发的磁场强度，实现改变磁流变液流动特性和磁流变弹性体的减振特性的目的；磁流变弹性体能够吸收活塞筒和管片连接环套之间高频轻微的振动(行程小)，当磁流变弹性体的减震特性(如弹力或支撑力)发生变化，磁流变弹性体对活塞筒和管片连接环套的支撑力和弹力就会相应的发生改变，最终实现自适应调节减振性能的功能，达到更好的减振效果；磁流变液能够对活塞头和螺栓连接活塞杆之间的相对移动(行程大)提供阻尼，当磁流变液的流动特性发生变化，磁流变液对活塞头和螺栓连接活塞杆的阻尼大小就会相应的发生改变，最终实现自适应调节阻尼大小的功能，达到更好的抗冲击效果；综上，该装置的适用对象不再是单一的振动或者冲击，而能够自适应地同时消除或减弱振动与冲击，起到更好的隔振与抗冲击效果。

作为优选：所述活塞头与活塞筒均采用导磁材料制成，所述螺栓连接活塞杆与管片连接环套均采用非导磁材料制成，各个安装座中均设置有采用非导磁材料制成的隔磁板。采用以上方式，将磁场被限制在一定范围内，使励磁线圈激发的磁场能够同时覆盖磁流变液和磁流变弹性体。

作为优选：所述磁流变液由弹性胶泥、羰基铁粉和添加剂制成。采用以上方式，响应灵敏，阻尼调节范围大，能够很好地起到抗冲击的作用。

作为优选：所述磁流变弹性体由高分子聚合物、镍颗粒和固化剂制成。采用以上方式，响应灵敏，调节范围大，能够很好地起到隔振的作用。

作为优选：所述控制组件包括数据采集器、控制器和可调直流电源，所述控制器能够根据数据采集器采集到的压力传感器输出信号，调节可调直流电源供向励磁线圈的电流大小。采用以上结构，成本低廉，易于实现，能够稳定可靠地调节励磁线圈的电流大小。

作为优选：在各个所述安装座沿活塞筒径向的外端均设置有径向减振垫，在各个安装座沿活塞筒转动方向的两侧均设置有转动方向减振垫，各个径向减振垫和转动方向减振垫均支撑在对应安装座和安装槽之间。采用以上结构，结构简单可靠，能够起到很好的减振和支撑作用。

作为优选：所述活塞筒上外套有两个传力弹簧，两个传力弹簧分别位于各个安装座的两侧，其一端支撑在各个安装座上，另一端支撑在管片连接环套上；所述螺栓连接活塞杆上均套装有复位压簧，所述复位压簧的一端与活塞头的对应端面抵接，另一端与活塞筒的内腔腔壁抵接。采用以上结构，简单可靠，既能够提供回位的弹力，又能够进行力的传递。

作为优选：所述活塞头与活塞筒的内腔腔壁之间形成对称设置在活塞头两端的两个缓冲环段以及用于连通两个缓冲环段的连通环段，所述励磁线圈设置在连通环段中。采用以上结构，将励磁线圈设置在两个缓冲环段，通过一组线圈就能够两个缓冲环段的磁场强度，且磁场分布完全对称，保证了阻尼效果的稳定。

作为优选：所述缓冲环段的截面宽度朝着靠近连通环段的方向逐渐增大。采用以上结构，缓冲环段和连通环段之间形成渐变间隙，使磁流变液的作用力更加平滑，阻尼效果更佳。

一种盾构管片安装结构，包括若干能够合围成圆筒状结构的盾构管片以及用于紧固相邻盾构管片的管片螺栓，其要点在于：各个所述盾构管片均开设有与上述盾构管片自适应减振抗冲击装置相适应的装置安装槽，各个管片螺栓的两端分别穿过对应盾构管片自适应减振抗冲击装置的螺栓过孔后，能够使管片连接环套靠近装置安装槽的一端端面与装置安装槽的槽底抵接，以锁定相邻的盾构管片。

采用以上结构，能够对盾构管片和管片螺栓起到极佳的减振和抗冲击作用，大幅延长了盾构管片及管片螺栓的疲劳寿命，避免发生过载损坏而导致隧道损毁。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

采用以上技术方案的盾构管片自适应减振抗冲击装置及盾构管片安装结构，结构新颖，设计巧妙，通过实时监测管片螺栓的实际受力情况，根据检测情况自适应调节磁流变液的流动特性和磁流变弹性体的减振特性，达到极佳的减振和抗冲击效果，大幅延长了盾构管片及管片螺栓的疲劳寿命，避免发生过载损坏而导致隧道损毁。

附图说明

图1为盾构管片安装结构的结构示意图；

图2为盾构管片自适应减振抗冲击装置与盾构管片和管片螺栓的配合关系示意图；

图3为盾构管片自适应减振抗冲击装置的结构示意图；

图4为图3去除管片连接环套一侧盖板的示意图；

图5为盾构管片自适应减振抗冲击装置的剖视图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

如图3-图5所示，一种盾构管片自适应减振抗冲击装置，其主要包括活塞筒1、活塞头2、螺栓连接活塞杆3和管片连接环套4。

其中，两根螺栓连接活塞杆3同轴地固定安装在活塞头2的两端，且均向外穿出活塞筒1；并且，活塞头2与两根螺栓连接活塞杆3具有同轴贯穿的螺栓过孔A，管片螺栓安装在该螺栓过孔A中。

螺栓连接活塞杆3上均套装有复位压簧16，复位压簧16的一端与活塞头2的对应端面抵接，另一端与活塞筒1的内腔腔壁抵接，从而使活塞头2弹性地支撑在活塞筒1内腔中。因此，活塞头2与两端的螺栓连接活塞杆3能够克服弹力同步地相对活塞筒1轴向移动，同时在失去外力以后，能够在两个复位压簧16弹力的作用下复位。

请参见图3-图5，活塞筒1的外周面上分布有均向外凸出的安装座1a，管片连接环套4与活塞筒1之间留有间隙B，并具有与对应安装座1a相适应的安装槽4a，各个安装座1a分别插入对应的安装槽4a中，并设置有用于检测活塞筒1受力变化的压力检测组件。活塞筒1上外套有两个传力弹簧11，两个传力弹簧11分别位于各个安装座1a的两侧，其一端支撑在各个安装座1a上，另一端支撑在管片连接环套4上，从而使管片连接环套4弹性地外套在活塞筒1上。

请参见图3和图4，为了便于内部零件的装配，活塞筒1由对称的两个子活塞筒1’组成，管片连接环套4由连接环本体4’以及位于连接环本体4’两侧的盖板4”组成。

在各个安装座1a沿活塞筒1轴向的两侧均设置有磁流变弹性体9，各个磁流变弹性体9分别支撑在对应安装座1a和安装槽4a之间，至少一个磁流变弹性体9与相邻安装座1a之间设置有压力传感器7。在各个安装座1a沿活塞筒1径向的外端均设置有径向减振垫10a，在各个安装座1a沿活塞筒1转动方向的两侧均设置有转动方向减振垫10b，各个径向减振垫10a和转动方向减振垫10b均支撑在对应安装座1a和安装槽4a之间，径向减振垫10a和转动方向减振垫10b能够起到很好的减振和支撑作用。

本实施例中，每对磁流变弹性体9中，在同一侧的磁流变弹性体9与相邻安装座1a之间均设置有压力传感器7，以更加准确地监测磁流变弹性体9的受力情况(即管片螺栓18和盾构管片17的受力情况)。活塞筒1与活塞头2之间填充满磁流变液5，其中，活塞头2与活塞筒1均采用导磁材料制成，螺栓连接活塞杆3与管片连接环套4均采用非导磁材料制成。

磁流变液5由弹性胶泥、羰基铁粉和添加剂制成，构成磁控胶泥。具体地说，磁流变液5的成分和重量百分比为：弹性胶泥20～80％，羰基铁粉20～80％，添加剂0.1～3％。弹性胶泥的主要成分为有机聚硅氧烷，主链由Si-O-Si键组成，Si-O键的键能远大于C-C键的键能且不含双键，因此具有耐老化、耐高温(-80～250℃)性能，剪切屈服应力可达120千帕，响应时间短，约为50毫秒，磁控粘度调节范围宽(约15至20倍)，在外加载荷作用下体积可压缩10％至15％，且无毒无害。添加剂为固体润滑剂，优选采用石墨、氧化硅或石墨与氧化硅的混合物。

磁流变弹性体9由高分子聚合物、镍颗粒和固化剂制成。具体地说，磁流变弹性体9的成分和重量百分比为：高分子聚合物20～80％，镍颗粒20～80％，固化剂0.1～3％。高分子聚合物优选采用聚氨酯、环氧树脂等，稳定可靠，成本低廉，减振效果好、响应快。固化剂优选采用苯酚。

在活塞筒1的内腔中设置有励磁线圈6，压力传感器7能够将检测数据传递给控制组件，使控制组件调节励磁线圈6的电流，从而调节励磁线圈6激发的磁场强度，以改变磁流变液5的流动特性和磁流变弹性体9的减振特性。当磁流变液5的流动特性和磁流变弹性体9发生变化，磁流变液5对活塞头2和螺栓连接活塞杆3的阻尼大小以及磁流变弹性体9对活塞筒1和管片连接环套4的减振能力就会相应的发生改变，最终实现自适应调节阻尼大小和减振能力的功能，达到极佳的减振和抗冲击效果。

请参见图4和图5，活塞头2与活塞筒1的内腔腔壁之间充满磁流变液5，具体地说，活塞头2与活塞筒1的内腔腔壁之间形成对称设置在活塞头2两端的两个缓冲环段C以及用于连通两个缓冲环段C的连通环段D，励磁线圈6通过线圈保持架15设置在连通环段D中，连通环段D与两个缓冲环段C中充满磁流变液5。

其中，缓冲环段C的截面宽度朝着靠近连通环段D的方向逐渐增大，使缓冲环段C和连通环段D之间形成渐变间隙，从而使磁流变液5的作用力更加平滑，阻尼效果更佳。

控制组件包括数据采集器12、控制器13和可调直流电源14，控制器13能够根据数据采集器12采集到的压力检测组件的输出信号，调节可调直流电源14供向励磁线圈6的电流大小。管片螺栓安装在螺栓过孔A中，管片螺栓受到的作用力经活塞头2和螺栓连接活塞杆3传递给活塞筒1，再经安装座1a传递给管片连接环套4，最终由管片连接环套4传递到盾构管片上。因此，通过各个压力传感器7能够检测各个安装座1a在轴向上的受力变化，并将检测数据传递给数据采集器12，数据采集器12再将信号传递给控制器13，控制器13能够计算出活塞头2与螺栓连接活塞杆3的受力大小与方向(即能够实时获知管片螺栓18与盾构管片17的受力大小)，从而能够据此信息适应性地调节可调直流电源14的输出电流大小(即励磁线圈6的电流大小)，改变励磁线圈6激发的磁场强度，实现改变磁流变液5流动特性和磁流变弹性体9的减振特性的目的，进而实现自适应调节吸收振动和冲击的能力，起到极佳的减振抗冲效果。

请参见图1和图2，一种盾构管片安装结构，包括若干能够合围成圆筒状结构的盾构管片17以及用于紧固相邻盾构管片17的管片螺栓18，各个盾构管片17均开设有与上述盾构管片自适应减振抗冲击装置相适应的装置安装槽17a，各个管片螺栓18穿过相邻的两个盾构管片17，其两端分别穿过对应盾构管片自适应减振抗冲击装置的螺栓过孔A后，能够使管片连接环套4靠近装置安装槽17a的一端端面与装置安装槽17a的槽底抵接，以锁定相邻的盾构管片17。通过若干管片螺栓18的连接，能够将各个盾构管片17固定成圆筒状结构。通过盾构管片自适应减振抗冲击装置的设置，能够对盾构管片17和管片螺栓18起到极佳的减振和抗冲击作用，大幅延长了盾构管片17及管片螺栓18的疲劳寿命，避免发生过载损坏而导致隧道损毁。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种盾构管片自适应减振抗冲击装置，其特征在于：包括活塞筒(1)、弹性地支撑在活塞筒(1)内腔中的活塞头(2)、同轴地设置在活塞头(2)两端的螺栓连接活塞杆(3)以及弹性地外套在活塞筒(1)上的管片连接环套(4)；

所述活塞头(2)与两根螺栓连接活塞杆(3)具有同轴贯穿的螺栓过孔(A)，并能够克服弹力同步地相对活塞筒(1)轴向移动，所述活塞头(2)与活塞筒(1)的内腔腔壁之间充满磁流变液(5)，两根螺栓连接活塞杆(3)均向外穿出活塞筒(1)；

所述活塞筒(1)的外周面上分布有均向外凸出的安装座(1a)，所述管片连接环套(4)与活塞筒(1)之间留有间隙(B)，并具有与对应安装座(1a)相适应的安装槽(4a)，各个安装座(1a)分别插入对应的安装槽(4a)中，并在各个安装座(1a)沿活塞筒(1)轴向的两侧均设置有磁流变弹性体(9)，各个磁流变弹性体(9)分别支撑在对应安装座(1a)和安装槽(4a)之间，至少一个磁流变弹性体(9)与相邻安装座(1a)之间设置有压力传感器(7)；

在所述活塞筒(1)的内腔中设置有励磁线圈(6)，所述压力传感器(7)能够将检测数据传递给控制组件，使控制组件调节励磁线圈(6)的电流，从而调节励磁线圈(6)激发的磁场强度，以改变磁流变液(5)的流动特性和磁流变弹性体(9)的减振特性。

2.根据权利要求1所述的盾构管片自适应减振抗冲击装置，其特征在于：所述活塞头(2)与活塞筒(1)均采用导磁材料制成，所述螺栓连接活塞杆(3)与管片连接环套(4)均采用非导磁材料制成，各个安装座(1a)中均设置有采用非导磁材料制成的隔磁板(8)。

3.根据权利要求1或2所述的盾构管片自适应减振抗冲击装置，其特征在于：所述磁流变液(5)由弹性胶泥、羰基铁粉和添加剂制成。

4.根据权利要求1或2所述的盾构管片自适应减振抗冲击装置，其特征在于：所述磁流变弹性体(9)由高分子聚合物、镍颗粒和固化剂制成。

5.根据权利要求1所述的盾构管片自适应减振抗冲击装置，其特征在于：所述控制组件包括数据采集器(12)、控制器(13)和可调直流电源(14)，所述控制器(13)能够根据数据采集器(12)采集到的压力传感器(7)输出信号，调节可调直流电源(14)供向励磁线圈(6)的电流大小。

6.根据权利要求1所述的盾构管片自适应减振抗冲击装置，其特征在于：在各个所述安装座(1a)沿活塞筒(1)径向的外端均设置有径向减振垫(10a)，在各个安装座(1a)沿活塞筒(1)转动方向的两侧均设置有转动方向减振垫(10b)，各个径向减振垫(10a)和转动方向减振垫(10b)均支撑在对应安装座(1a)和安装槽(4a)之间。

7.根据权利要求1所述的盾构管片自适应减振抗冲击装置，其特征在于：所述活塞筒(1)上外套有两个传力弹簧(11)，两个传力弹簧(11)分别位于各个安装座(1a)的两侧，其一端支撑在各个安装座(1a)上，另一端支撑在管片连接环套(4)上；所述螺栓连接活塞杆(3)上均套装有复位压簧(16)，所述复位压簧(16)的一端与活塞头(2)的对应端面抵接，另一端与活塞筒(1)的内腔腔壁抵接。

8.根据权利要求1所述的盾构管片自适应减振抗冲击装置，其特征在于：所述活塞头(2)与活塞筒(1)的内腔腔壁之间形成对称设置在活塞头(2)两端的两个缓冲环段(C)以及用于连通两个缓冲环段(C)的连通环段(D)，所述励磁线圈(6)设置在连通环段(D)中。

9.根据权利要求8所述的盾构管片自适应减振抗冲击装置，其特征在于：所述缓冲环段(C)的截面宽度朝着靠近连通环段(D)的方向逐渐增大。

10.一种盾构管片安装结构，包括若干能够合围成圆筒状结构的盾构管片(17)以及用于紧固相邻盾构管片(17)的管片螺栓(18)，其特征在于：各个所述盾构管片(17)均开设有与权利要求1-9中任一项所述盾构管片自适应减振抗冲击装置相适应的装置安装槽(17a)，各个管片螺栓(18)的两端分别穿过对应盾构管片自适应减振抗冲击装置的螺栓过孔(A)后，能够使管片连接环套(4)靠近装置安装槽(17a)的一端端面与装置安装槽(17a)的槽底抵接，以锁定相邻的盾构管片(17)。

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