CN116378691A - 一种用于盾构智能掘进实验的刀盘阻力矩模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于盾构智能掘进实验的刀盘阻力矩模拟装置，包括固定设置在刀盘正面的焊接法兰、设置在焊接法兰上的摩擦筒、设置在摩擦筒内的中心体和设置在中心体上方的扭矩传感器，扭矩传感器的另一端连接有支撑梁，支撑梁设置在盾体上；在中心体的腔体内左右两侧对称滑动设有阻力块，两个阻力块分别与放置在中心体内的油缸的两端连接；在阻力块的外侧分别设有弧形摩擦片。本发明可用于模拟盾构掘进实验时刀盘掘进时遇到的阻力矩，通过控制摩擦阻力矩的大小和变化规律，可以模拟盾构掘进时地质条件、刀盘状态等的变化，对盾构智能掘进控制系统开展深入研究和优化。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程和盾构装备制造技术领域，具体涉及一种用于盾构智能掘进实验的刀盘阻力矩模拟装置。
背景技术
随着智能化技术的快速发展，智能建造在工程建设领域得到了越来越多的应用。作为隧道建设的一种重要设备，近年来盾构机智能化技术得到了一定发展，盾构智能掘进在部分工程开展了测试应用。但是由于盾构施工工序流程的复杂、面对地质环境多变，且不同工程都有各自的特殊性，盾构智能掘进控制系统的工程适应性存在不足，在施工现场大量开展各类工况下的盾构智能掘进实验可能导致潜在的施工风险。因此有必要开发可用于开展各类盾构智能掘进实验的设备，满足盾构智能掘进控制系统开发、测试需求。
刀盘是盾构的核心部件，盾构机开挖隧道是刀盘在盾构推进系统和主驱动系统共同作用下贯入地层并持续旋转切削地层的过程。刀盘在旋转时地层、渣土、泥浆等持续作用于刀盘产生阻力矩，推进力、地层条件、刀具状态的变化都会造成阻力矩的变化，开展盾构刀盘的掘进实验必须能够模拟刀盘运行的这些边界条件。现有技术一般通过填土构建模拟地层的方式提供刀盘掘进环境，这种方式每次实验均需要大量填土、压实、清理等工作，费时费力，并且难以达到与实际地层相对应的力学性能；此外，填土效果一致性差，导致实验结果的可重复性差，无法满足智能控制研究开展大量可重复实验的需求。因此有必要开发一种能够方便模拟刀盘掘进阻力矩等边界条件的装置，为盾构智能掘进实验的开展提供支撑。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种用于盾构智能掘进实验的刀盘阻力矩模拟装置，可实现刀盘阻力矩的加载和控制，从而实现对刀盘掘进遇到不同工况的模拟。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于盾构智能掘进实验的刀盘阻力矩模拟装置，包括固定设置在刀盘正面的焊接法兰、设置在所述焊接法兰上的摩擦筒、设置在所述摩擦筒内的中心体和设置在所述中心体上方的扭矩传感器，所述扭矩传感器的另一端连接有支撑梁，所述支撑梁设置在盾体上；所述焊接法兰、摩擦筒和中心体的轴线均与刀盘的旋转轴线相重合；在所述中心体的腔体内左右两侧对称滑动设有阻力块，两个所述阻力块分别与放置在中心体内的油缸的两端连接，阻力块在相对中心体的左右方向上能产生一定的位移量，可吸收摩擦筒与中心体的同轴度误差，保证运行平稳性；在所述阻力块的外侧分别设有弧形摩擦片，所述摩擦片与摩擦筒的内壁接触式连接。
针对上述技术方案，油缸无杆腔加压时，两个阻力块伸出压紧摩擦筒内壁形成压紧力，当刀盘转动时左右侧接触面产生一对摩擦力，形成摩擦阻力矩；通过调节油缸推力可以调节摩擦阻力矩的大小，从而模拟刀盘掘进时遇到的阻力矩；摩擦阻力矩通过阻力块、中心体传递到固定安装于支撑梁的扭矩传感器上，从而实现对摩擦阻力矩的实时监测和控制；支撑梁固定在前盾上，用来克服扭矩传感器传递来的摩擦阻力矩。
该装置可用于模拟盾构掘进实验时刀盘旋转切削地层产生的阻力矩，通过控制摩擦阻力矩的大小和变化规律，可以模拟盾构掘进时地质条件、刀盘状态等的变化，研究刀盘驱动智能化控制方法。
优选的，在所述阻力块的内部设有散热腔，在所述散热腔上设有进水管和排水管。冷却水通过进水管注入并充满散热腔后通过排水管排出，从而持续带走摩擦筒与摩擦片产生的热量，降低接触面温度，避免接触面温度过高。
优选的，在所述中心体上设有非接触式温度传感器。
优选的，在所述中心体上设有雾化喷头。
当温度传感器监测到摩擦筒内壁温度过高时，开启雾化喷头直接向摩擦筒内壁喷射冷却水，实现快速降温。
本发明的有益效果是：
1、本发明实现了盾构掘进实验平台在避免构建实际地层条件下实现刀盘掘进阻力矩的加载，避免了构建地层消耗的大量时间和人力物力，简化了实验准备清理流程，大大提高了实验效率；
2、本发明具有良好的可重复性，可以多次复现同一工况，非常适用于用于盾构智能控制系统测试、训练和改进，提高系统开发效率；
3、通过在中心体和支撑梁之间安装扭矩传感器，可以直接实时监测阻力矩大小和变化规律，便于对装置阻力矩大小的调整及精确控制；
4、通过控制摩擦阻力矩大小和变化方式，可以模拟不同地层、不同工况，也可以模拟破岩困难、刀盘受阻等常见异常工况，从而测试智能控制系统在各种工况下的稳定性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明安装示意图；
图3为本发明的剖视图；
图4为阻力块收回状态图；
图5为阻力块伸出状态图。
图中：1支撑梁，2焊接法兰，3摩擦筒，4中心体，5油缸，6阻力块，7扭矩传感器，8刀盘，9盾体，10摩擦片，11散热腔，12进水管，13排水管，14温度传感器，15雾化喷头。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
如图1-5所示，一种用于盾构智能掘进实验的刀盘阻力矩模拟装置，包括支撑梁1、焊接法兰2、摩擦筒3、中心体4、油缸5、阻力块6和扭矩传感器7。支撑梁1安装在盾体9的前盾上，用于支持刀盘阻力矩装置并平衡刀盘阻力矩；焊接法兰2焊接在刀盘8的正面，焊接法兰2的轴线与刀盘8的旋转轴线相重合；摩擦筒3同心安装在焊接法兰2上，与刀盘8同步转动；中心体4位于摩擦筒3内部，并与摩擦筒3同轴布置，以保证运行过程的平稳性；在中心体4的左右两端分别设有相连通的安装槽，在两个安装槽内分别放置有阻力块6，阻力块6在安装槽内可左右移动，且两个阻力块6分别与油缸5的两端连接，在油缸5的作用下阻力块6相对中心体在水平方向具有一定的左右浮动量，可以吸收装配时摩擦筒3与中心体4的同轴度误差。阻力块6的外端安装有圆弧形摩擦片10，摩擦片的外径与摩擦筒内壁直径相同(即二者相接触)；扭矩传感器7一端固定在中心块4上，另一端固定在支撑梁8上，且与外部的控制设备连接，用于对阻力矩大小进行实时监测。
在阻力块的内部设有散热腔，在散热腔上设有进水管12和排水管13，冷却水通过进水管12输入散热腔11，通过排水管13排出，用于持续带走接触面摩擦产生的热量，降低接触面温度。
在中心体上还设有非接触式温度传感器14和雾化喷头15，当非接触式温度传感器14监测到摩擦筒3内壁温度过高时，开启雾化喷头15直接向摩擦筒内壁喷射冷却水，增强冷却效果。
非接触式温度传感器14和雾化喷头15均可与外部设置的控制器连接，由控制器进行控制开启，它们之间的连接方式和控制方式均为常规方式。
非工作状态下，油缸5全缩，使阻力块6与摩擦筒3脱离接触，此时不产生摩擦阻力矩；工作状态下，油缸5的无杆腔加压使阻力块6从中心体4的腔体中伸出，并压紧摩擦筒3内壁形成正压力，进而产生一对静摩擦阻力；当刀盘8带动摩擦筒3转动时，左、右两侧接触面产生的静摩擦力转化为一对大小相等、方向相反的动摩擦力，从而形成刀盘阻力矩；通过调节油缸5推力可以调节刀盘阻力矩的大小，从而模拟刀盘掘进时遇到的阻力矩。油缸5推力与装置产生摩擦阻力矩的关系为：
Tf＝μFNDf
式中，μ为摩擦系数，FN为油缸推力，Df为摩擦筒内径。
刀盘阻力矩通过摩擦筒3、阻力块6、中心体4传递到扭矩传感器7上。通过安装在中心体4和支撑梁1之间的扭矩传感器7，可以直接实时监测摩擦阻力矩Tf大小和变化规律，通过调节油缸5推力对装置产生的阻力矩进行精确控制，从而实现对刀盘掘进工况灵活、可重复的模拟和重现。
在以上实施例中所涉及的设备元件如无特别说明，均为常规设备元件，所涉及的结构设置方式、工作方式或控制方式如无特别说明，均为本领域常规的设置方式、工作方式或控制方式。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种用于盾构智能掘进实验的刀盘阻力矩模拟装置，其特征在于，包括固定设置在刀盘正面的焊接法兰、设置在所述焊接法兰上的摩擦筒、设置在所述摩擦筒内的中心体和设置在所述中心体上方的扭矩传感器，所述扭矩传感器的另一端连接有支撑梁，所述支撑梁设置在盾体上；所述焊接法兰、摩擦筒和中心体的轴线均与刀盘的旋转轴线相重合；在所述中心体的腔体内左右两侧对称滑动设有阻力块，两个所述阻力块分别与油缸的两端连接，且所述阻力块在相对中心体的左右方向上能产生一定的位移量；在所述阻力块的外侧分别设有弧形摩擦片，所述摩擦片与摩擦筒的内壁接触式连接。
2.根据权利要求1所述的用于盾构智能掘进实验的刀盘阻力矩模拟装置，其特征在于，在所述阻力块的内部设有散热腔，在所述散热腔上设有进水管和排水管。
3.根据权利要求1所述的用于盾构智能掘进实验的刀盘阻力矩模拟装置，其特征在于，在所述中心体上设有非接触式温度传感器。
4.根据权利要求1所述的用于盾构智能掘进实验的刀盘阻力矩模拟装置，其特征在于，在所述中心体上设有雾化喷头。
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