CN114112466A - 一种用于模拟隧道掘进机掘进状态的实验平台 - Google Patents
一种用于模拟隧道掘进机掘进状态的实验平台 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于模拟隧道掘进机掘进状态的实验平台，包括机架，机架上设置有刀盘、模拟支护装置、模拟掘进装置、用于带动刀盘旋转的模拟旋转装置、推进导向机构、用于为刀盘提供推动力的一级推进装置以及用于采集应力应变数据的数据采集系统；刀盘连接在旋转轴的端部；模拟支护装置包括护盾，护盾位于刀盘的一侧，且通过轴承安装在旋转轴上；模拟掘进装置包括用于为刀盘提供推动力的二级推进油缸以及与二级推进油缸连接的撑靴系统。把发明实现了与真实TBM掘进工作模式相近的掘进工艺，可以采集TBM推力、扭矩、转速、掘进速度和掘进距离等掘进状态指标，可为TBM实际掘进性能和卡机状态的评估提供充分的科学依据。
Description
技术领域
本发明涉及隧道掘进工程技术领域，具体涉及一种用于模拟隧道掘进机掘进状态的实验平台。
背景技术
随着我经济快速持续发展，出现了大量深埋隧道工程，涉及铁路、公路、引水、采矿、国防等各个领域，如大瑞铁路高黎贡山隧道、川藏铁路色季拉山隧道、引汉济渭供水隧洞等工程岩石硬度高达200MPa，隧道埋深最大超过2000m，工程技术难度世界罕见。随着埋深的增加，地应力也将逐步增加，开挖卸荷引发的动力灾害频发，造成大量的人员伤亡、机械损害、工期延误和重大经济损失，且动力灾害的危害性随着埋深和应力的增加而显著增大，锦屏隧洞岩爆造成7人死亡，上亿元的设备报废。
目前，国内外研究隧道动力灾害的方式主要有室内岩石力学实验，数值模拟实验等方法。岩石力学实验只是针对岩石本身的力学特性进行研究，不能真实有效的反应TBM掘进动态边界条件。数值模拟隧道可对TBM施工边界条件进行模拟，但是受分析方法和计算内核的准确性制约，分析结果的可靠性较低。因此针对深埋隧道施工有必要开展工程前TBM掘进物理实验。
目前针对隧道掘进机破岩设备比较多，如盾构及掘进技术国家重点实验室、北京工业大学、中南大学等单位都开发了针对刀具破岩研究的物理实验台，主要研究如何实现刀具高效破岩问题，而不能模拟TBM掘进状态。因此有必要研发一套能够模拟工程TBM掘进的物理实验设备，研究掘进过程中掘进参数对刀盘、撑靴、护盾应力的影响。
发明内容
为真实模拟隧道掘进机掘进模拟实验，研究掘进过程中刀盘、撑靴及护盾受力测试，监测刀盘推力、扭矩、转速、贯入度、护盾接触力、撑靴压力等因素对岩爆的影响，本发明采用以下技术方案：一种用于模拟隧道掘进机掘进状态的实验平台，包括机架，其特征在于：所述机架上设置有刀盘、模拟支护装置、模拟掘进装置、用于带动刀盘旋转的模拟旋转装置、推进导向机构、用于为刀盘提供推动力的一级推进装置以及用于采集应力应变数据的数据采集系统；所述刀盘可拆卸地连接在旋转轴的端部；所述模拟支护装置包括护盾，所述护盾位于所述刀盘的一侧，且通过轴承安装在所述旋转轴上；所述模拟掘进装置包括撑靴系统以及用于带动撑靴系统沿旋转轴移动的二级推进油缸。
进一步地，所述撑靴系统包括位于所述旋转轴前后两侧的撑靴块和撑靴板以及位于旋转轴上下两侧的两组撑靴油缸；所述撑靴油缸设置在所述撑靴块上，所述撑靴板设置在所述撑靴油缸的活塞杆上；所述二级推进油缸为空心油缸，其套装在所述旋转轴上且与所述旋转轴之间间隙配合；所述二级推进油缸的活塞环与所述护盾之间刚性连接，其缸体与所述撑靴块之间连接。
进一步地，所述数据采集系统包括多个电阻应变片、动态应变仪、数据采集仪以及上位机；所述电阻应变片安装在所述护盾和所述撑靴板的内表面；所述数据采集仪设置在所述电阻应变片的一侧，用于采集电阻应变片的阻值变化；所述动态应变仪与所述数据采集仪连接，并将阻值信号上传至上位机进行数据处理。
进一步地，所述模拟旋转装置包括水平的移动板、设置在移动板下方的驱动电机、中心轴与驱动电机输出轴之间通过联轴器连接的小齿轮、以及伺服驱动器、编码器；所述旋转轴远离刀盘的端部同轴连接有与小齿轮啮合的大齿轮；所述小齿轮和所述大齿轮外罩设有防护罩，所述防护罩与所述移动板之间连接；所述小齿轮的中心轴以及所述大齿轮的中心轴均与所述防护罩之间转动连接；所述伺服驱动器的输入端连接上位机，所述伺服驱动器的输出端连接驱动电机；所述驱动电机的输出端连接编码器，所述编码器反馈驱动电机的实际转速、扭矩给所述伺服驱动器，所述编码器与所述伺服驱动器实现驱动电机闭环控制。
进一步地，所述推进导向机构包括设置在机架上的固定座、两根与旋转轴平行的导向杆、用于固定导向杆两端的导向座；所述导向杆位于所述模拟旋转装置的两侧；所述移动板的四角处设置有套装在所述导向杆上的支撑座；所述支撑座与所述导向杆之间滑动连接；所述固定座套装在所述模拟旋转装置和所述模拟掘进装置之间的旋转轴上，并与所述旋转轴之间滑动连接。
进一步地，所述一级推进装置为设置在机架上的一级推进油缸；所述一级推进油缸的活塞杆与所述防护罩远离所述旋转轴的一侧连接。
进一步地，所述旋转轴上位于所述模拟掘进装置远离刀盘的一侧设置有滚动支撑装置；所述滚动支撑装置包括套装在所述旋转轴上的圆盘，连接在圆盘下端的圆盘支撑轮架，以及与所述圆盘支撑轮架转动连接的多个滚轮；所述圆盘与所述旋转轴之间间隙配合。
进一步地，所述护盾为圆筒状结构，所述护盾下方侧壁上设置有用于岩粉流出的通道。
进一步地，所述刀盘中间部位设置有喷水孔。
本发明的模拟隧道掘进机掘进状态实验平台的使用方法，具体包括以下步骤：
a、准备阶段：撑靴油缸将撑靴板顶出，使其挤压在隧道洞壁上；
b、掘进阶段：刀盘在驱动电机的作用下旋转，同时一级推进装置推动刀盘向前移动，实现掘进；当一级推进装置完成一个行程后，停止掘进；
c、换步阶段：撑靴油缸收缩，使得撑靴板脱离隧道洞壁10-20mm；二级推进油缸收缩，带动撑靴系统前移一个行程，此时二级推进油缸停止收缩；撑靴油缸伸出，将撑靴板再次顶出，使得撑靴板压紧在隧道洞壁上；换步结束，可以再次进行掘进。
本发明的有益效果：通过研制本发明的隧道掘进机掘进状态的实验平台，实现了与真实TBM掘进工作模式相近的掘进工艺，可以采集TBM推力、扭矩、转速、掘进速度和掘进距离等掘进状态指标。同时应用了动态应力应变监测和传输技术，实现了护盾外围压力和撑靴压力实时动态监测功能，可开展高地应力各种复杂地质环境下TBM掘进性能测试、高地应力岩爆作用下TBM与围岩之间的力学响应和相似材料软岩大变形TBM开挖测试等工作，可为TBM实际掘进性能和卡机状态的评估提供充分的科学依据。
附图说明
图1为本发明的主视图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明的护盾结构示意图；
图4为本发明的模拟旋转装置结构示意图；
图5为本发明的撑靴系统的结构示意图；
图6为本发明的局部剖视图；
图7为本发明的刀盘破岩轨迹图；
附图标记：1-机架；2-刀盘；3-护盾；4-二级推进油缸；5-撑靴系统；51-撑靴油缸；52-撑靴板；53-撑靴块；6-模拟旋转装置；7-推进导向机构；8-一级推进油缸；9-旋转轴；10-导向座；11-固定座；12-导向杆；13-支撑座；14-移动板；15-驱动电机；16-防护罩；17-大齿轮；18-小齿轮；19-圆盘；20-圆盘支撑轮架；21-滚轮；22-通道。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步地说明，如附图1-7所示，本发明的一种用于模拟隧道掘进机掘进状态的实验平台，包括机架1，所述机架1上设置有刀盘2、模拟支护装置、模拟掘进装置、用于带动刀盘2旋转的模拟旋转装置6、推进导向机构7、用于为刀盘2提供推动力的一级推进装置以及用于采集应力应变数据的数据采集系统；所述刀盘2连接在所述旋转轴9的端部；本发明的刀盘采用镶嵌硬质合金头或者碳化钨材料,对岩样进行切削代替滚刀滚动破岩，该刀盘结构采用三受力臂结构，硬质合金柱焊接在每根臂上，不但实现了不同轨迹开挖，而且最大限度地避免了二次磨损。本发明的刀盘与旋转轴之间可以固定连接，也可以采用可拆卸地连接方式，例如螺纹连接等。所述刀盘2中间部位设置有喷水孔；本实验装置可以配套现有技术中常用的喷水出渣系统，本装置未做改进因此不详述。
所述模拟支护装置包括护盾3，所述护盾3位于所述刀盘2的一侧，且通过轴承安装在所述旋转轴9上；所述护盾4为圆筒状结构，所述护盾4下方侧壁上设置有用于岩粉流出的通道22。所述护盾4用于保护TBM内部设备及维持岩壁稳定，位于刀盘后面，与刀盘一起向前移动，通过一对圆锥滚子轴承安装在推进轴上。
所述模拟掘进装置包括撑靴系统5以及用于带动撑靴系统5沿旋转轴9移动的二级推进油缸4。所述撑靴系统5包括位于所述旋转轴9前后两侧的撑靴块53和撑靴板52以及位于旋转轴9上下两侧的两组撑靴油缸51；每组撑靴油缸51共有两个；所述撑靴油缸51设置在所述撑靴块53上，所述撑靴板52设置在所述撑靴油缸51的活塞杆上；撑靴油缸用于将撑靴板压至隧道岩壁上；所述二级推进油缸4为空心油缸，其套装在所述旋转轴9上且与所述旋转轴9之间间隙配合；所述二级推进油缸4的活塞环与所述护盾3之间刚性连接，其缸体与所述撑靴块53之间连接。
所述模拟旋转装置6包括水平的移动板14、设置在移动板14下方的驱动电机15、中心轴与驱动电机15输出轴之间通过联轴器连接的小齿轮18、以及伺服驱动器、编码器；所述旋转轴9远离刀盘2的端部同轴连接有与小齿轮18啮合的大齿轮17；所述小齿轮18和所述大齿轮17外罩设有防护罩16，所述防护罩16与所述移动板14之间连接；所述小齿轮18的中心轴以及所述大齿轮17的中心轴均与所述防护罩16之间转动连接；所述伺服驱动器的输入端连接上位机，所述伺服驱动器的输出端连接驱动电机15；所述驱动电机15的输出端连接编码器，所述编码器反馈驱动电机15的实际转速、扭矩给所述伺服驱动器，所述编码器与所述伺服驱动器实现驱动电机15闭环控制。伺服驱动器将驱动电机的信号与编码器反馈的信号比较，来调整驱动电机的驱动电流，从而精确控制电机的转速。
所述一级推进装置为设置在机架上的一级推进油缸8；所述一级推进油缸8的活塞杆与所述防护罩16远离所述旋转轴9的一侧连接。
所述推进导向机构7包括设置在机架1上的固定座11、两根与旋转轴9平行的导向杆12、用于固定导向杆12的导向座10；所述导向杆12位于所述模拟旋转装置6的两侧；所述移动板14的四角处设置有套装在所述导向杆12上的支撑座13；所述支撑座13与所述导向杆12之间滑动连接；所述固定座11套装在所述模拟旋转装置6和所述模拟掘进装置5之间的旋转轴9上，并与所述旋转轴9之间滑动连接。
所述数据采集系统包括多个电阻应变片、动态应变仪、数据采集仪；所述电阻应变片安装在所述护盾4和所述撑靴板52的内表面；所述数据采集仪设置在所述电阻应变片的一侧，用于采集电阻应变片的阻值变化；所述动态应变仪与所述数据采集仪连接，并将阻值信号上传至上位机进行数据处理。工作过程为：应变--阻值变化--电压（或电流）变化--放大--记录--数据处理。数据采集系统包括：INV1861A动态应变仪、电阻应变片、INV3060A数据采集仪和上位机。粘贴应变片时注意电阻应变片阻值的检测、应变片定位。
所述旋转轴9上位于所述模拟掘进装置5远离刀盘的一侧设置有滚动支撑装置；所述滚动支撑装置包括套装在所述旋转轴9上的圆盘19，连接在圆盘19下端的圆盘支撑轮架20，以及与所述圆盘支撑轮架20转动连接的多个滚轮21；所述圆盘19与所述旋转轴9之间间隙配合。所述滚动支撑装置在实验台工作时，滚轮压在隧道岩壁上，TBM换步时起支撑TBM主梁的作用。
本发明的模拟隧道掘进机掘进状态实验平台的使用方法，具体包括以下步骤：
a、准备阶段：撑靴油缸51将撑靴板52顶出，使其挤压在隧道洞壁上；
b、掘进阶段：刀盘2在驱动电机15的作用下旋转，同时一级推进装置推动刀盘向前移动，实现掘进；当一级推进装置完成一个行程后，停止掘进；
c、换步阶段：撑靴油缸51收缩，使得撑靴板52脱离隧道洞壁10-20mm；二级推进油缸4收缩，带动撑靴系统前移一个行程，此时二级推进油缸4停止收缩；撑靴油缸51伸出，将撑靴板52再次顶出，使得撑靴板52压紧在隧道洞壁上；换步结束，可以再次进行掘进。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于模拟隧道掘进机掘进状态的实验平台，包括机架（1），其特征在于：所述机架（1）上设置有刀盘（2）、模拟支护装置、模拟掘进装置、用于带动刀盘（2）旋转的模拟旋转装置（6）、推进导向机构（7）、用于为刀盘（2）提供推动力的一级推进装置以及用于采集应力应变数据的数据采集系统；所述刀盘（2）连接在旋转轴（9）的端部；所述模拟支护装置包括护盾（3），所述护盾（3）位于所述刀盘（2）的一侧，且通过轴承安装在所述旋转轴（9）上；所述模拟掘进装置包括撑靴系统（5）以及用于带动撑靴系统（5）沿旋转轴（9）移动的二级推进油缸（4）。
2.如权利要求1所述的一种用于模拟隧道掘进机掘进状态的实验平台，其特征在于：所述撑靴系统（5）包括位于所述旋转轴（9）前后两侧的撑靴块（53）和撑靴板（52）以及位于旋转轴（9）上下两侧的两组撑靴油缸（51）；所述撑靴油缸（51）设置在所述撑靴块（53）上，所述撑靴板（52）设置在所述撑靴油缸（51）的活塞杆上；所述二级推进油缸（4）为空心油缸，其套装在所述旋转轴（9）上且与所述旋转轴（9）之间间隙配合；所述二级推进油缸（4）的活塞环与所述护盾（3）之间刚性连接，其缸体与所述撑靴块（53）之间连接。
3.如权利要求2所述的一种用于模拟隧道掘进机掘进状态的实验平台，其特征在于：所述数据采集系统包括多个电阻应变片、动态应变仪、数据采集仪以及上位机；所述电阻应变片安装在所述护盾（4）和所述撑靴板（52）的内表面；所述数据采集仪设置在所述电阻应变片的一侧，用于采集电阻应变片的阻值变化；所述动态应变仪与所述数据采集仪连接，并将阻值信号上传至上位机进行数据处理。
4.如权利要求3所述的一种用于模拟隧道掘进机掘进状态的实验平台，其特征在于：所述模拟旋转装置（6）包括水平的移动板（14）、设置在移动板（14）下方的驱动电机（15）、中心轴与驱动电机（15）输出轴之间通过联轴器连接的小齿轮（18）、以及伺服驱动器、编码器；所述旋转轴（9）远离刀盘（2）的端部同轴连接有与小齿轮（18）啮合的大齿轮（17）；所述小齿轮（18）和所述大齿轮（17）外罩设有防护罩（16），所述防护罩（16）与所述移动板（14）之间连接；所述小齿轮（18）的中心轴以及所述大齿轮（17）的中心轴均与所述防护罩（16）之间转动连接；所述伺服驱动器的输入端连接上位机，所述伺服驱动器的输出端连接驱动电机（15）；所述驱动电机（15）的输出端连接编码器，所述编码器反馈驱动电机（15）的实际转速、扭矩给所述伺服驱动器，所述编码器与所述伺服驱动器实现驱动电机（15）闭环控制。
5.如权利要求3所述的一种用于模拟隧道掘进机掘进状态的实验平台，其特征在于：所述推进导向机构（7）包括设置在机架（1）上的固定座（11）、两根与旋转轴（9）平行的导向杆（12）、用于固定导向杆（12）两端的导向座（10）；所述导向杆（12）位于所述模拟旋转装置（6）的两侧；所述移动板（14）的四角处设置有套装在所述导向杆（12）上的支撑座（13）；所述支撑座（13）与所述导向杆（12）之间滑动连接；所述固定座（11）套装在所述模拟旋转装置（6）和所述模拟掘进装置（5）之间的旋转轴（9）上，并与所述旋转轴（9）之间滑动连接。
6.如权利要求4所述的一种用于模拟隧道掘进机掘进状态的实验平台，其特征在于：所述一级推进装置为设置在机架上的一级推进油缸（8）；所述一级推进油缸（8）的活塞杆与所述防护罩（16）远离所述旋转轴（9）的一侧连接。
7.如权利要求1所述的一种用于模拟隧道掘进机掘进状态的实验平台，其特征在于：所述旋转轴（9）上位于所述模拟掘进装置（5）远离刀盘的一侧设置有滚动支撑装置；所述滚动支撑装置包括套装在所述旋转轴（9）上的圆盘（19），连接在圆盘（19）下端的圆盘支撑轮架（20），以及与所述圆盘支撑轮架（20）转动连接的多个滚轮（21）；所述圆盘（19）与所述旋转轴（9）之间间隙配合。
8.如权利要求1所述的一种用于模拟隧道掘进机掘进状态的实验平台，其特征在于：所述刀盘（2）中间部位设置有喷水孔。
9.一种模拟隧道掘进机掘进状态实验平台的使用方法，其特征在于：该方法采用权利要求1-8任意一项所述的实验平台，具体包括以下步骤：
a、准备阶段：撑靴油缸（51）将撑靴板（52）顶出，使其挤压在隧道洞壁上；
b、掘进阶段：刀盘（2）在驱动电机（15）的作用下旋转，同时一级推进装置推动刀盘向前移动，实现掘进；当一级推进装置完成一个行程后，停止掘进；
c、换步阶段：撑靴油缸（51）收缩，使得撑靴板（52）脱离隧道洞壁10-20mm；二级推进油缸（4）收缩，带动撑靴系统前移一个行程，此时二级推进油缸（4）停止收缩；撑靴油缸（51）伸出，将撑靴板（52）再次顶出，使得撑靴板（52）压紧在隧道洞壁上；换步结束，可以再次进行掘进。
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