CN207396027U - 盾构刀盘振动掘削实验台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种盾构刀盘振动掘削实验台，包括盾构机刀盘、土盆、土盆固定装置、土盆推升装置、主轴套件和整体钢架，主轴套件安装在所述整体钢架上，盾构机刀盘安装在所述主轴套件的下部，土盆固定装置安装在盾构机刀盘下方的土盆推升装置的并受土盆推升装置的带动上下运动，所述土盆推升装置安装在所述整体钢架上。本实用新型的盾构机刀盘的转速和土盆的推进速度都是可以通过电机实时控制，可以实现在非匀速的盾构掘进实验；通过扭矩传感器和地磅秤获取扭矩和推进力的变化，一方面可以测试在振动作用下刀盘所受力矩与推力的变化，另一方面可以实验盾构机刀盘在速度变化下的动力特性，即随着速度、加速度的变化，其扭矩和推进力的变化。

Description

盾构刀盘振动掘削实验台

技术领域

本实用新型涉及振动掘削效果测试的实验设备，更具体的说，尤其涉及一种盾构刀盘振动掘削实验台。

背景技术

盾构设备的主要作用是隧道开挖，为当代中国的城市及农村发展都可以做出重要的贡献。在当代人口、车辆众多的大城市，如北京、上海、杭州、广州等地，地铁的需求越来越高，而现代地铁隧道的开挖都是使用盾构机作为掘进设备，由此带来的盾构设备的需求也越来越高。而在中国偏远的农村，例如广西、四川，那里大山连绵，这些地区想要发展就必须要先与外界建设好交通，不管是高速公路还是高铁，在遇到大山阻碍时最佳的通过方式就是修建隧道，这就需要先进的盾构设备来实现。对盾构技术的研究是当下一个非常人们的课题，但是国内很少有机构有自己的盾构试验设备，国内目前也没有一台可以测试盾构刀盘在振动作用下切削扭矩和推进力的实验设备。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决上述现有技术的不足，提出了一种可以精确测试盾构刀盘在震动作用下掘进推进力以及扭矩的盾构刀盘振动掘削实验台。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：一种盾构刀盘振动掘削实验台，包括盾构机刀盘、土盆、土盆固定装置、土盆推升装置、主轴套件和整体钢架，所述主轴套件安装在所述整体钢架上，所述盾构机刀盘安装在所述主轴套件的下部，所述土盆固定装置安装在盾构机刀盘下方的土盆推升装置的并受土盆推升装置的带动上下运动，所述土盆推升装置安装在所述整体钢架上。

所述整体钢架由型钢焊接而成，整体钢架顶部设置有用于放置高扭矩电机、扭矩传感器和减速器的钢平台，高扭矩电机通过扭矩传感器连接减速器，减速器连接主轴套件的上端，主轴套件通过主轴支撑钢板固定在整体钢架的钢平台下方，所述整体钢架底部焊接有钢底板，地磅秤安装在所述钢底板上。

所述主轴套件包括主轴、轴壳和主轴法兰，所述主轴的上端连接钢平台上放置的减速器，主轴的下端通过主轴法兰与盾构机刀盘固定连接，所述轴壳与主轴通过轴承连接，所述轴壳上设置有与整体钢架上的主轴支撑钢板固定连接的法兰孔。

所述盾构机刀盘包括由六块钢板焊接而成的六边形的刀盘骨架，六边形的刀盘骨架的中部设置有骨架加强筋，刀盘骨架的六个顶点到骨架加强筋的中心的连线处焊接有六条刀盘加强筋，其中三个间隔分布的刀盘加强筋上均设置有一个辐射板，每个辐射板上设置有六把等间距分布的切刀，另外三个刀盘加强筋的外端部安装有三把刮刀；所述骨架加强筋的正面安装有一把中心刀，所述骨架加强筋的背面还焊接有六块象腿，所述象腿上焊接有刀盘法兰，刀盘法兰与所述主轴套件上的主轴法兰固定连接；

所述土盆包括土盆底板、四块内周钢板和四块外周钢板，四块内周钢板固定在所述土盆底板上构成土盆用于盛放切削的土体式样的内圈，四块外周钢板固定在内圈外侧的土盆盆底上并构成土盆用于盛放切削过程中掉出的土屑的外圈；所述土盆底板的底部设置有条形加强筋，所述条形加强筋上转有与土盆推升装置固接的螺纹孔；所述土盆的两侧还设置有卡槽；

所述土盆推升装置包括两台螺旋升降机、升降机底座和四个万向轮，所述升降机底座底部安装有四个万向轮，两台螺旋升降机等高的安装在所述升降机底座上，所述螺旋升降机的顶部通过升降块法兰与土盆底部的条形加强筋固定连接；

所述土盆固定装置包括一对由挂脚、地脚、旋转固定杆和固定螺栓组成的单侧固定模块，一对单侧固定模块分别安装在地磅秤两侧的整体钢架上，所述地脚固定在整体钢架的下端，所述挂脚固定在整体钢架的中上部，所述地脚和挂脚的连线在一条铅垂线上，所述旋转固定杆铰接在所述地脚上，所述旋转固定杆的上端设置有固定孔，所述挂脚上设置有安装孔，土盆定位后一对旋转固定杆通过旋转闭合分别卡在土盆两侧的卡槽上，并通过穿过固定孔和安装孔的固定螺栓将旋转固定杆的上端与挂脚固接在一起。

进一步的，所述切刀通过螺栓固定在辐射板上，所述辐射板通过螺栓固定在刀盘加强筋上；所述切刀通过螺栓固定在刀盘加强筋的端部。

进一步的，所述地磅秤上连接有RS485的数据采集模块，RS485的数据模块与用于记录的计算机电连接并将地磅秤的数据传输到计算机上进行记录。

进一步的，所述轴壳和主轴之间通过一对设置在轴壳上下两端面上的深沟球轴承连接。

进一步的，所述条形加强筋设置有并列的多条。

进一步的，所述辐射板和刀盘加强筋之间还设置有多条均匀分布的三角形加强筋。

进一步的，两台螺旋升降机通过螺旋升降电机提供动力，所述螺旋升降电机为变频调速电机。

进一步的，所述高扭矩电机为变频调速电机。

本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型的盾构机刀盘的转速和土盆的推进速度都是可以通过电机实时控制，可以实现在非匀速的盾构掘进实验。

2、本实用新型通过扭矩传感器和地磅秤获取扭矩和推进力的变化，一方面可以测试在振动作用下，刀盘所受力矩与推力的变化，另一方面也可以实验盾构机刀盘在速度变化下的动力特性，即随着速度、加速度的变化，其扭矩和推进力的变化。

3、本实用新型将土盆提升装置设置在土盆下方，利用土盆提升装置提升土盆哎接近盾构机刀盘，利用减少了盾构机刀盘的复杂推进机构，降低了设备的成本。

4、本实用新型通过主轴套件将主轴的轴壳固定在整体钢架上，防止在盾构机刀盘运动的过程中主轴在水平方向上窜动对试验的结果产生影响，提高了实验的稳定性和数据的准确性。

5、本实用新型的盾构机刀盘的刀具包括十八把切刀、一把中心刀、三把刮刀，不仅与盾构机的实际情况更复合，而且可以通过刮刀刮除边缘的土屑，避免土屑的产生对试验结果的影响。

6、本实用新型的土盆采用内圈和外圈的形式，内圈盛放土体式样，外圈用于盛放切削过程中掉出来的土屑，使试验过程中不会出现土屑乱飞的情况，简化了试验后的清理流程，避免土屑飞溅对其他部件的后续实验产生影响。

7、本实用新型的土盆推升装置采用两台螺旋升降机作为提升系统，更好了提高了土盆提升的稳定性。

8、本实用新型采用的土盆固定装置结构简单，既可以实现定位也可以实现土盆的水平方向定位，同时也起到了竖直方向上的导向作用。

附图说明

图1是本实用新型盾构刀盘振动掘削实验台的轴侧图。

图2是本实用新型盾构刀盘振动掘削实验台的主视图。

图3是本实用新型盾构机刀盘的轴测图。

图4是本实用新型盾构机刀盘的正视图。

图5是本实用新型盾构机刀盘的侧视图。

图6是本实用新型土盆的轴测图。

图7是本实用新型土盆的正视图。

图8是本实用新型土盆的侧视图。

图9是本实用新型土盆推升装置的轴测图。

图10是本实用新型土盆固定装置的轴测图。

图11是本实用新型土盆固定装置的正视图。

图12是本实用新型主轴套件的轴测图。

图13是本实用新型主轴套件的侧视图。

图中，1-整体钢架、2-主轴套件、3-盾构机刀盘、4-土盆、5-土盆推升装置、6-土盆固定装置、7-高扭矩电机、8-扭矩传感器、9-减速器、11-钢平台、12-钢底板、13-地磅秤、21-主轴、22-轴壳、23-主轴法兰、31-刀盘骨架、32-刀盘加强筋、33-象腿、34-刀盘法兰、35-辐射板、36-刮刀、37-切刀、38-中心刀、39-骨架加强筋、41-内周钢板、42-外周钢板、43-卡槽、44-土盆底板、45-条形加强筋、51-升降机底座、52-万向轮、53-螺旋升降机、54-升降块法兰、61-挂脚、62-地脚、63-旋转固定杆、64-安装孔、65-固定孔。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1和图2所示，一种盾构刀盘振动掘削实验台，包括盾构机刀盘3、土盆4、土盆固定装置6、土盆推升装置5、主轴套件2和整体钢架1，所述主轴套件2安装在所述整体钢架1上，所述盾构机刀盘3安装在所述主轴套件2的下部，所述土盆固定装置6安装在盾构机刀盘3下方的土盆推升装置5上并受土盆推升装置5的带动上下运动，所述土盆推升装置5安装在所述整体钢架1上。主轴套件2、盾构机刀盘3、土盆4、土盆推升装置5安装在同一条铅垂线上，保证盾构机刀盘3在工作时沿一条直线运动。

所述整体钢架1是由型钢焊接而成的立方体框架，整体钢架1顶部设置有用于放置高扭矩电机7、扭矩传感器8和减速器9的钢平台11，钢平台11通过螺栓固定在型钢焊接而成的立方体框架上。高扭矩电机7、扭矩传感器8和减速器9均固定在钢平台11上，高扭矩电机7的输出轴通过扭矩传感器8连接减速器9，减速器9连接主轴套件2的上端，主轴套件2通过主轴支撑钢板固定在整体钢架1的钢平台11下方，主轴套件2通过固定在整体钢架1上保证主轴在转动时不会产生晃动，提高整个装置运行时的稳定性。所述整体钢架1底部焊接有钢底板12，地磅秤13安装在所述钢底板12上。所述地磅秤13上连接有RS485的数据采集模块，RS485的数据模块与用于记录的计算机电连接并将地磅秤13的数据传输到计算机上进行记录。地磅秤13的一侧设置有斜坡，以便土盆推升装置5由斜坡推到地磅秤13上。

所述高扭矩电机7为变频调速电机。

如图12和图13所示，所述主轴套件2包括主轴21、轴壳22和主轴法兰23，所述主轴21的上端连接钢平台11上放置的减速器9，主轴21的下端通过主轴法兰23与盾构机刀盘3固定连接，所述轴壳22与主轴21通过轴承连接，所述轴壳22上设置有与整体钢架1上的主轴支撑钢板固定连接的法兰孔。

所述轴壳22和主轴21之间通过一对设置在轴壳22上下两端面上的深沟球轴承连接。轴壳22包括上壳体和下壳体，上壳体和下壳体的连接处自带法兰并通过自带法兰互相连接。上壳体和下壳体通过相互连接处的法兰与主轴支撑钢板固定连接并将轴壳22整体固定在主轴支撑钢板上，形成主轴水平方向上的支撑。

如图3、图4和图5所示，所述盾构机刀盘3包括由六块钢板焊接而成的六边形的刀盘骨架31，六边形的刀盘骨架31的中部设置有骨架加强筋39，刀盘骨架31的六个顶点到骨架加强筋39的中心的连线处焊接有六条刀盘加强筋32，其中三个间隔分布的刀盘加强筋32上均设置有一个辐射板35，每个辐射板35上设置有六把等间距分布的切刀37，另外三个刀盘加强筋32的外端部安装有三把刮刀36；所述骨架加强筋39的正面安装有一把中心刀38，所述骨架加强筋39的背面还焊接有六块象腿33，所述象腿33上焊接有刀盘法兰34，刀盘法兰34与所述主轴套件2上的主轴法兰23固定连接。即整个盾构机刀盘3一共包括18把切刀37、3把刮刀36和一把中心刀38。中心刀38和切刀37用于对土盆4内的土进行切削，刮刀36用于将多余的土屑刮掉。

所述切刀37通过螺栓固定在辐射板35上，所述辐射板35通过螺栓固定在刀盘加强筋32上；所述切刀37通过螺栓固定在刀盘加强筋32的端部。

所述条形加强筋45设置有并列的多条。所述辐射板35和刀盘加强筋32之间还设置有多条均匀分布的三角形加强筋。

如图6、图7和图8所示，所述土盆4包括土盆底板44、四块内周钢板41和四块外周钢板42，四块内周钢板41固定在所述土盆底板44上构成土盆4用于盛放切削的土体式样的内圈，四块外周钢板42固定在内圈外侧的土盆4盆底上并构成土盆4用于盛放切削过程中掉出的土屑的外圈；所述土盆底板44的底部设置有条形加强筋45，所述条形加强筋45上转有与土盆推升装置5固接的螺纹孔；所述土盆4的两侧还设置有卡槽43。

如图9所示，所述土盆推升装置5包括两台螺旋升降机53、升降机底座51和四个万向轮52，所述升降机底座51底部安装有四个万向轮52，两台螺旋升降机53等高的安装在所述升降机底座51上，所述螺旋升降机53的顶部通过升降块法兰54与土盆4底部的条形加强筋固定连接；两台螺旋升降机53通过螺旋升降电机提供动力，所述螺旋升降电机为变频调速电机。

如图10和图11所示，所述土盆固定装置6包括一对由挂脚61、地脚62、旋转固定杆63和固定螺栓组成的单侧固定模块，一对单侧固定模块分别安装在地磅秤13两侧的整体钢架1上，所述地脚62固定在整体钢架1的下端，所述挂脚61固定在整体钢架1的中上部，所述地脚62和挂脚61的连线在一条铅垂线上，所述旋转固定杆63铰接在所述地脚62上，所述旋转固定杆63的上端设置有固定孔65，所述挂脚61上设置有安装孔64，土盆4定位后一对旋转固定杆63通过旋转闭合分别卡在土盆4两侧的卡槽43上，并通过穿过固定孔65和安装孔64的固定螺栓将旋转固定杆63的上端与挂脚61固接在一起。挂脚61的端部呈U型，且U型的槽宽刚好与旋转固定杆63的尺寸相配合，保证旋转固定杆63刚好可以卡进挂脚61的U型端部。

本实用新型的工作原理如下：在工作时，高扭矩电机7通过减速器9输入动力，通过带动下方主轴套件2运动带动盾构机刀盘3的旋转；盾构机刀盘3掘削过程中扭矩的大小会被扭矩传感器8收集，并传向计算机。试验开始时，土盆4和土盆推升装置5都是在整体钢架1外的，土盆固定装置是打开状态的，土盆4中装上土后，土盆4安装在土盆推升装置5上，土盆推升装置5通过人工推动或者自动运动到地磅秤13上，并被地磅秤13左右的土盆固定装置固定住，土盆固定装置通过将旋转固定杆合上并拧上螺栓实现土盆4的定位；接通电源后，盾构机刀盘3在高扭矩电机7的带动下旋转，在土盆推升装置5的推升作用下土盆4向上运动，实现土盆4和盾构机刀盘3的相对运动，于此同时土盆4下方的地磅秤13的实时数值变化通过RS485的数据采集模块记录并将记录的数据传输给电脑。由于高扭矩电机7和土盆提升装置5的转速都是可以实时调节的，因此可以通过实验采集盾构机刀盘在速度变化下的动力特性，即随着速度、加速度的变化，其扭矩和推进力的变化。

本实用新型中盾构刀盘3旋转方向和推进方向的双方向振动效果由高扭矩电机7和土盆推升装置5的变频电机实时变速得到。实现方法是，由单片机或PLC控制变频电机，向电机变频器输入正弦波、三角波等控制信号，实现电机实时转速的变化即振动激励。高扭矩电机7的速度波动带动刀盘3的旋转方向的振动，土盆推升装置5的变频电机的速度波动带动刀盘3推进方向的振动。从而实现双方向可控振动激励掘削的效果。

上述实施例只是本实用新型的较佳实施例，并不是对本实用新型技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本实用新型专利的权利保护范围内。

Claims (8)

1.一种盾构刀盘振动掘削实验台，其特征在于：包括盾构机刀盘(3)、土盆(4)、土盆固定装置(6)、土盆推升装置(5)、主轴套件(2)和整体钢架(1)，所述主轴套件(2)安装在所述整体钢架(1)上，所述盾构机刀盘(3)安装在所述主轴套件(2)的下部，所述土盆固定装置(6)安装在盾构机刀盘(3)下方的土盆推升装置(5)上并受土盆推升装置(5)的带动上下运动，所述土盆推升装置(5)安装在所述整体钢架(1)上；

所述整体钢架(1)由型钢焊接而成，整体钢架(1)顶部设置有用于放置高扭矩电机(7)、扭矩传感器(8)和减速器(9)的钢平台(11)，高扭矩电机(7)通过扭矩传感器(8)连接减速器(9)，减速器(9)连接主轴套件(2)的上端，主轴套件(2)通过主轴支撑钢板固定在整体钢架(1)的钢平台(11)下方，所述整体钢架(1)底部焊接有钢底板(12)，地磅秤(13)安装在所述钢底板(12)上；

所述主轴套件(2)包括主轴(21)、轴壳(22)和主轴法兰(23)，所述主轴(21)的上端连接钢平台(11)上放置的减速器(9)，主轴(21)的下端通过主轴法兰(23)与盾构机刀盘(3)固定连接，所述轴壳(22)与主轴(21)通过轴承连接，所述轴壳(22)上设置有与整体钢架(1)上的主轴支撑钢板固定连接的法兰孔；

所述盾构机刀盘(3)包括由六块钢板焊接而成的六边形的刀盘骨架(31)，六边形的刀盘骨架(31)的中部设置有骨架加强筋(39)，刀盘骨架(31)的六个顶点到骨架加强筋(39)的中心的连线处焊接有六条刀盘加强筋(32)，其中三个间隔分布的刀盘加强筋(32)上均设置有一个辐射板(35)，每个辐射板(35)上设置有六把等间距分布的切刀(37)，另外三个刀盘加强筋(32)的外端部安装有三把刮刀(36)；所述骨架加强筋(39)的正面安装有一把中心刀(38)，所述骨架加强筋(39)的背面还焊接有六块象腿(33)，所述象腿(33)上焊接有刀盘法兰(34)，刀盘法兰(34)与所述主轴套件(2)上的主轴法兰(23)固定连接；

所述土盆(4)包括土盆底板(44)、四块内周钢板(41)和四块外周钢板(42)，四块内周钢板(41)固定在所述土盆底板(44)上构成土盆(4)用于盛放切削的土体式样的内圈，四块外周钢板(42)固定在内圈外侧的土盆(4)盆底上并构成土盆(4)用于盛放切削过程中掉出的土屑的外圈；所述土盆底板(44)的底部设置有条形加强筋(45)，所述条形加强筋(45)上转有与土盆推升装置(5)固接的螺纹孔；所述土盆(4)的两侧还设置有卡槽(43)；

所述土盆推升装置(5)包括两台螺旋升降机(53)、升降机底座(51)和四个万向轮(52)，所述升降机底座(51)底部安装有四个万向轮(52)，两台螺旋升降机(53)等高的安装在所述升降机底座(51)上，所述螺旋升降机(53)的顶部通过升降块法兰(54)与土盆(4)底部的条形加强筋固定连接；

所述土盆固定装置(6)包括一对由挂脚(61)、地脚(62)、旋转固定杆(63)和固定螺栓组成的单侧固定模块，一对单侧固定模块分别安装在地磅秤(13)两侧的整体钢架(1)上，所述地脚(62)固定在整体钢架(1)的下端，所述挂脚(61)固定在整体钢架(1)的中上部，所述地脚(62)和挂脚(61)的连线在一条铅垂线上，所述旋转固定杆(63)铰接在所述地脚(62)上，所述旋转固定杆(63)的上端设置有固定孔(65)，所述挂脚(61)上设置有安装孔(64)，土盆(4)定位后一对旋转固定杆(63)通过旋转闭合分别卡在土盆(4)两侧的卡槽(43)上，并通过穿过固定孔(65)和安装孔(64)的固定螺栓将旋转固定杆(63)的上端与挂脚(61)固接在一起。

2.根据权利要求1所述的盾构刀盘振动掘削实验台，其特征在于：所述切刀(37)通过螺栓固定在辐射板(35)上，所述辐射板(35)通过螺栓固定在刀盘加强筋(32)上；所述切刀(37)通过螺栓固定在刀盘加强筋(32)的端部。

3.根据权利要求1所述的盾构刀盘振动掘削实验台，其特征在于：所述地磅秤(13)上连接有RS485的数据采集模块，RS485的数据模块与用于记录的计算机电连接并将地磅秤(13)的数据传输到计算机上进行记录。

4.根据权利要求1所述的盾构刀盘振动掘削实验台，其特征在于：所述轴壳(22)和主轴(21)之间通过一对设置在轴壳(22)上下两端面上的深沟球轴承连接。

5.根据权利要求1所述的盾构刀盘振动掘削实验台，其特征在于：所述条形加强筋(45)设置有并列的多条。

6.根据权利要求1所述的盾构刀盘振动掘削实验台，其特征在于：所述辐射板(35)和刀盘加强筋(32)之间还设置有多条均匀分布的三角形加强筋。

7.根据权利要求1所述的盾构刀盘振动掘削实验台，其特征在于：两台螺旋升降机(53)通过螺旋升降电机提供动力，所述螺旋升降电机为变频调速电机。

8.根据权利要求1所述的盾构刀盘振动掘削实验台，其特征在于：所述高扭矩电机(7)为变频调速电机。