CN213875322U - 双模式卧式tbm盘形滚刀磨损试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种双模式卧式TBM盘形滚刀磨损试验装置，包括回转岩盘结构、直线岩盘结构、刀盘及刀盘驱动系统以及数据采集与分析系统组成；回转试验可通过液压油缸推动岩盘前进，刀盘回转达到破岩目的，回转试验中刀盘可安装五把破岩盘形滚刀；在直线破岩试验中，直线岩盘在侧向液压油缸的往返作用和后方液压油缸的推动下，刀盘固定不动，直线岩盘做往返运动达到破岩效果破岩；通过试验中采集的图像、掘进参数等，开展盘形滚刀破岩贯入度、最优刀间距等试验研究，并且能够实现不同掘进参数、不同岩石材料等因素对盘形滚刀磨损的影响研究，以指导TBM掘进换刀或盘形滚刀配置优化。

Description

双模式卧式TBM盘形滚刀磨损试验装置

技术领域

本实用新型涉及地下岩土与地下工程试验技术领域，具体地讲是一种双模式卧式TBM盘形滚刀磨损试验装置，是一种TBM（全断面岩石掘进机）盘形滚刀磨损试验平台。

背景技术

全断面岩石掘进机具有开挖速度快、自动化程度高、安全环保和施工经济等特点，在交通、水利、城建等行业应用广泛，由于全断面岩石掘进机研发较晚，在施工数据和技术等方面的积累不足，并且实际施工中TBM盘形滚刀的工作状态只能借助施工参数以及盘形滚刀磨损预警系统感知，无法直观观察，因此对盘形滚刀的监测量控无法做到精细化。

盘形滚刀易损坏的特点对整个施工造成极大影响。据统计，全断面岩石掘进机在工作中更换盘形滚刀的花费约占整个隧道工程总花费的20%-25%，在部分工程中甚至超过30%，大大增加了施工成本；此外，盘形滚刀更换检查的时间占掘进总时间的10%-30%，严重影响掘进效率，而更换盘形滚刀的主要原因是盘形滚刀磨损。盘形滚刀的磨损分为正常磨损和非正常磨损，在实际工作中正常磨损损坏的盘形滚刀约占80%-90%，因此研究盘形滚刀正常磨损不仅对于节省施工成本、加快施工进度具有重要意义，更有望为全断面岩石掘进领域带来新的突破。

有关岩机作用、破岩的试验装置，国内外已有研制，可用于破岩机理研究、TBM机型选择、盘形滚刀布置研究、最优贯入度研究等，其试验结果可靠，在掘进机的研制、改进方面有重要作用，并且对于实际施工也有指导作用；但已有的试验台功能单一，大多为仅能进行直线切割破岩或者回转切割破岩的单一功能试验台，多为缩尺比例研制，并且采用竖向结构，对实际工况的模拟度较低，无法真实反映全断面岩石掘进机滚刀破岩的实际施工情况。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服上述已有技术的不足，而提供一种双模式卧式TBM盘形滚刀磨损试验装置。

本实用新型提供的技术方案是：双模式卧式TBM盘形滚刀磨损试验装置，其特殊之处在于，由回转岩盘结构、直线岩盘结构、刀盘及刀盘驱动系统以及数据采集与分析系统组成；

所述回转岩盘结构包括前支撑架，前支撑架有两组，前支撑架上固定连接行进液压油缸的后端；行进液压油缸为四个，行进液压油缸上设推力传感器；所述的行进液压油缸的活塞杆与岩盘固定连接，岩盘后方设位移传感器，岩盘通过滑块安装在行进导轨上，岩盘在行进液压油缸提供的推力作用下通过滑块沿底部在行进导轨上行进，向刀盘移动，刀盘上安装五把破岩盘形滚刀；

在回转岩盘破岩试验中通过行进液压油缸推动岩盘前进，刀盘回转达到破岩；

所述的直线岩盘结构，包括支撑架，支撑架与直线液压油缸后端相接，直线液压油缸的活塞杆与直线岩盘相接，直线岩盘沿直线岩盘行进导轨做垂直于刀盘的直线运动，直线岩盘行进导轨安装在岩盘内，在岩盘内部设声波发射器；

在直线岩盘破岩试验中，直线岩盘在直线液压油缸的推动下，刀盘固定不动，直线岩盘做往返运动达到破岩；

所述的刀盘及刀盘驱动系统，包括刀盘和刀盘驱动系统；所述的刀盘上预留盘形滚刀安装底座的安装孔位，形成三刀位直线破岩试验刀座、双刀位直线破岩试验刀座及回转破岩试验刀座；所述的盘形滚刀安装底座上设盘形滚刀和三向力传感器，试验过程中盘形滚刀单独受力由三向力传感器采集数据；所述的刀盘通过刀盘传动接口与转速—扭矩调节箱连接，转速—扭矩调节箱后接驱动电机，转速—扭矩调节箱和驱动电机固定在底座上，转速—扭矩调节箱后通过支撑杆与后支撑架连接；

所述的数据采集与分析系统，数据采集系统包括数据处理终端、推力传感器、位移传感器、声波发射器、三向力传感器以及数据传输线；所述的推力传感器、位移传感器、声波发射器、三向力传感器通过数据传输线连接到数据处理终端；所述的数据处理终端中数据分析系统包括图像处理系统和超声波成像分析系统。

进一步的，所述的岩盘、刀盘、刀盘传动接口、转速-扭矩调节箱、驱动电机和后支撑架从左往右依次排列。

进一步的，所述的后支撑架通过斜杆与底座固定，底座固定于地面。

本实用新型的有益效果：

1、在回转切割试验中以电机驱动刀盘做回转运动，通过调节转速—扭矩调节箱的输出功率控制刀盘转速及扭矩，以液压油缸推动岩盘模拟刀盘推力，并且安装有推力传感器以测得油缸推力，岩盘的位移由安装在其上的位移传感器测得；试验过程中盘形滚刀单独受力由刀座上安装的三向力传感器采集数据；直线试验中，刀盘固定不动，以行进液压油缸推动岩盘，使其与刀盘形成相对运动，达到破岩效果；

2、可进行最优破岩刀间距试验，岩盘预留盘形滚刀安装孔位，可根据不同岩体性质调试采用不同刀间距，根据数据采集及分析系统所获得的数据，对不同刀间距破岩效能进行分析，获得最优破岩刀间距；本试验装置留有五个可调间距的回转试验盘形滚刀安装孔位安装位置；在直线试验中，为研究盘形滚刀间共同破岩作用的影响，可分别设置间距可调的双刀位和三刀位直线破岩试验；

3、可开展不同掘进参数、不同岩石材料等因素对盘形滚刀磨损的影响研究，可在两种切割模式下探究；回转模式模拟刀盘中的中心刀和安装半径较小的正滚刀的破岩过程；安装半径较大的正滚刀和边缘滚刀，由于回转半径比较大，可近似看作直线运动，所以用直线切割模式模拟试验更为合适；两种模式下，盘形滚刀的磨损不同，在直线切割破岩石刀刃两侧磨损均匀，主要发生均匀磨损；在回转切割破岩时，盘形滚刀由于离心力的作用各部位受力不同，发生非均匀磨损；本试验装置留有五个可调间距的回转试验盘形滚刀安装孔位，可进行不同安装半径对盘形滚刀磨损影响的探究；

4、在岩盘后方安装声波发射器，可对破岩时出现的裂纹以及何时出现裂纹进行详细探测，有利于控制破岩力、贯入度和刀间距，优化掘进参数；

5、试验过程中驱动电机及行进液压油缸的输出功率由人工控制；数据采集系统为自动采集，在试验前设置其采集频率和时间；试验过程中，试验装置的驱动电机转速和扭矩输出、行进液压油缸的推力和速度输出可视化，以便试验人员根据破岩掘进情况调节功率；推力和扭矩以及转速都可以调整，以实现不同掘进参数的需求；

6、试验更加接近实际工作环境，以试验获取的数据为研究对象，结合实际施工数据进行研究分析，为实际施工提供真实可靠地数据，精确指导施工，延长盘形滚刀寿命，指导TBM掘进换刀或盘形滚刀配置优化，减少耗费，提高掘进效率；

7、采用卧式结构，集直线切割破岩与回转切割破岩试验于一体，它可以原尺寸模拟TBM刀盘上不同位置的盘形滚刀工作情况，并记录盘形滚刀在工作中的重要参数，为确定掘进最优贯入度和刀间距，根据地质情况选取合适尺寸的盘形滚刀提供依据；本试验装置一个重要的功能是可以根据试验数据，开展不同掘进参数、不同岩石材料等因素对盘形滚刀磨损的影响研究，为研究延长盘形滚刀使用寿命提供依据并指导TBM掘进换刀或盘形滚刀配置优化。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本实用新型的回转岩盘结构示意图；

图3是本实用新型的刀盘结构示意图；

图4是本实用新型的直线岩盘结构示意图；

图5是本实用新型的导轨结构示意图

图6是本实用新型的滑块与导轨连接图。

图7是本实用新型的数据处理终端图；

图8是本实用新型的盘形滚刀安装底座示意图。

图中：1前支撑架，2行进液压油缸，3推力传感器，4岩盘，5直线岩盘行进导轨，6行进导轨，7滑块，8位移传感器，9刀盘，10刀盘传动接口，11转速-扭矩调节箱，12驱动电机，13支撑杆，14后支撑架，15电机固定架，16底座，17声波发射器，18第一安装孔位,19第二安装孔位,20第三安装孔位,21第四安装孔位,22第五安装孔位,23第六安装孔位,24第七安装孔位,25第八安装孔位,26支撑架，27直线液压油缸，28直线岩盘，29数据处理终端，30数据传输线，31盘形滚刀，32盘形滚刀安装底座，33三向力传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

如图1、2、3、4、5、6、7、8所示，双模式卧式TBM盘形滚刀磨损试验装置，由回转岩盘结构、直线岩盘结构、刀盘及刀盘驱动系统以及数据采集与分析系统组成；

回转岩盘结构包括前支撑架1，前支撑架1有两组，与地面固定，为行进液压油缸2提供支持，四个行进液压油缸2固定于前支撑架1前方的固定钢板上，在行进液压油缸2上安装有推力传感器3，测量油缸推进压力；将行进液压油缸2的活塞杆与岩盘4固定，岩盘周边以钢板加加强杆的形式固定；在岩盘4后方安装位移传感器8，测量岩盘4位移，试验时，行进液压油缸2为岩盘4提供推力，岩盘4在行进液压油缸2所提供的推力作用下通过滑块7沿底部行进导轨6向刀盘9移动，与刀盘9接触并使推力达到盘形滚刀31破岩所需的压力值，刀盘9上安装五把破岩盘形滚刀31；

在回转岩盘破岩试验中通过行进液压油缸2推动岩盘4前进，刀盘9回转达到破岩；

直线岩盘结构包括支撑架26，支撑架26固定于地面，为液压油缸27提供支撑力，支撑架26与直线液压油缸27后端相接，直线液压油缸27的活塞杆与直线岩盘28相接，工作时，直线液压油缸27增压，支撑于支撑架26并推动直线岩盘28沿直线岩盘行进导轨5做垂直于刀盘9的直线运动，当直线液压油缸27达到最大推动距离时，此时试验盘形滚刀31位于直线岩盘28的一端，然后直线液压油缸27回缩，带动直线岩盘28返回，当直线液压油缸27完全回缩后，此时试验盘形滚刀31位于直线岩盘28的另一端，以上为直线破岩试验的一次往返运动，而直线试验是由多次往返运动组成；直线岩盘行进导轨5安装在岩盘4内，在岩盘4内部安装超声波发生装置17，在试验时通过声波发射器17发射声波记录岩盘内部破碎情况，可对破岩时出现的裂纹以及何时出现裂纹进行详细探测，有利于控制破岩力、贯入度和刀间距，优化掘进参数；

直线破岩试验采集的数据包括超声波岩石内部实时图像、盘形滚刀工作过程中所受三向力以及直线液压油缸27的推力；在直线岩盘破岩试验中，直线岩盘28在直线液压油缸27的推动下，刀盘9固定不动，直线岩盘28做往返运动达到破岩；

刀盘及刀盘驱动系统包括刀盘9和刀盘驱动系统；在刀盘9上预留盘形滚刀安装底座32的安装孔位，分别为第一安装孔位18、第二安装孔位19、第三安装孔位20、第四安装孔位21、第五安装孔位22、第六安装孔位23、第七安装孔位24、第八安装孔位25；第一安装孔位18、第二安装孔位19和第八安装孔位25为三刀位直线破岩试验刀座，第六安装孔位23和第七安装孔位24为双刀位直线破岩试验刀座，第三安装孔位20、第四安装孔位21、第五安装孔位22、第六安装孔位23和第七安装孔位24为回转破岩试验刀座；盘形滚刀安装底座32上安装盘形滚刀31和三向力传感器33，试验过程中盘形滚刀31单独受力由三向力传感器33采集数据；可根据不同岩体性质调试不同刀间距，根据数据采集及分析系统所获得的数据，由数据处理终端29对不同刀间距破岩效能进行分析，获得最优破岩刀间距；盘形滚刀31安装时同时接入三向力传感器33，在试验结束后对采集的图像进行处理，结合三向力数据和数据采集系统记录的刀盘转速和扭矩数据，对破岩贯入度、盘形滚刀31工作状态和磨损情况进行优化研究；

刀盘驱动系统，刀盘9通过刀盘传动接口10与转速—扭矩调节箱11动力输出端相接，转速—扭矩调节箱11为刀盘9提供破岩所需的力，转速—扭矩调节箱11的下方与底座16固定，另一端箱盖由支撑杆13固定在后支撑架14上；将转速—扭矩调节箱11后接驱动电机12，由驱动电机12为转速—扭矩调节箱11提供动力，驱动电机12由电机固定架15和电动机本身螺栓孔固定在底座16和转速—扭矩调节箱11上，转速—扭矩调节箱11后通过支撑杆13与后支撑架14连接，后支撑架14通过斜杆和底座16固定，底座16固定于地面；岩盘4、刀盘9、刀盘传动接口10、转速-扭矩调节箱11、驱动电机12和支撑架14从左往右依次排列；

数据采集与分析系统，包括数据采集系统及数据分析系统，数据采集系统包括数据处理终端29、推力传感器3、位移传感器8、声波发射器17、三向力传感器33以及数据传输线30；推力传感器3、位移传感器8、声波发射器17、三向力传感器33通过数据传输线30连接到数据处理终端29；数据处理终端29中数据分析系统包括图像处理系统和超声波成像分析系统。

试验过程中，驱动电机及行进液压油缸的输出功率由人工控制；数据采集系统为自动采集，在试验前设置其采集频率和时间；试验过程中，试验装置的驱动电机转速和扭矩输出、行进液压油缸的推力和速度输出可视化，以便试验人员根据破岩掘进情况调节功率；推力和扭矩以及转速都可以调整，以实现不同掘进参数的需求；

数据采集系统采集的数据包括：1）岩盘实时位移和总位移；2）回转试验中刀盘的转速和扭矩；3）回转试验中液压油缸的推力；4）盘形滚刀破岩时超声波图像；5）直线试验中液压油缸的推力和推进速度；6）试验过程中对数据做简单处理：贯入度 = 掘进速度 / 刀盘转速；

图像采集及处理过程如下：

1）图像采集；

2）原始图像传输，传输至计算机；

3）图像增强，去除噪声提高图像清晰度。

本实用新型的双模式卧式TBM盘形滚刀磨损试验装置，启动后，可进行不同地质的TBM掘进参数测试，如刀盘扭矩、掘进速度、刀盘转速等；可进行两种破岩切割试验，进行的直线切割试验可模拟边缘盘形滚刀的破岩过程，回转切割试验可模拟安装半径较小的正面滚刀以及中心滚刀的破岩过程，弥补了仅可进行单一试验的缺陷；采用卧式，更加接近TBM实际工作状况，以试验获取的数据为研究对象，结合实际施工数据进行研究分析，为实际施工提供真实可靠地数据，精确指导施工；

可以对滚刀磨损进行精确监控量测，安装的数据采集系统可对盘形滚刀的破岩过程进行精确捕捉；数据处理系统对采集的图像进行增强、过滤处理，结合试验中采集的数据，达到对盘形滚刀磨损精准监控的目的，以此为依据对掘进参数进行优化，减少滚刀磨损并适时更换盘形滚刀，提高掘进效率、降低施工成本。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的技术特征都属于现有技术。尽管上面结合附图对本实用新型专利的实施方式进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述具体的实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员均可以在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出更多的形式，这些均属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.双模式卧式TBM盘形滚刀磨损试验装置，其特征在于，由回转岩盘结构、直线岩盘结构、刀盘及刀盘驱动系统以及数据采集与分析系统组成；

所述回转岩盘结构包括前支撑架（1），前支撑架（1）有两组，前支撑架（1）上固定连接行进液压油缸（2）的后端；行进液压油缸（2）为四个，行进液压油缸（2）上设推力传感器（3）；所述的行进液压油缸（2）的活塞杆与岩盘（4）固定连接，岩盘（4）后方设位移传感器（8），岩盘（4）通过滑块（7）安装在行进导轨（6）上，岩盘（4）在行进液压油缸（2）提供的推力作用下通过滑块（7）沿底部在行进导轨（6）上行进，向刀盘（9）移动，刀盘（9）上安装五把破岩盘形滚刀（31）；

在回转岩盘破岩试验中通过行进液压油缸（2）推动岩盘（4）前进，刀盘（9）回转达到破岩；

所述的直线岩盘结构，包括支撑架（26），支撑架（26）与直线液压油缸（27）后端相接，直线液压油缸（27）的活塞杆与直线岩盘（28）相接，直线岩盘（28）沿直线岩盘行进导轨（5）做垂直于刀盘（9）的直线运动，直线岩盘行进导轨（5）安装在岩盘（4）内，在岩盘（4）内部设声波发射器（17）；

在直线岩盘破岩试验中，直线岩盘（28）在直线液压油缸（27）的推动下，刀盘(9)固定不动，直线岩盘（28）做往返运动达到破岩；

所述的刀盘及刀盘驱动系统，包括刀盘（9）和刀盘驱动系统；所述的刀盘（9）上预留盘形滚刀安装底座（32）的安装孔位，形成三刀位直线破岩试验刀座、双刀位直线破岩试验刀座及回转破岩试验刀座；所述的盘形滚刀安装底座（32）上设盘形滚刀（31）和三向力传感器（33），试验过程中盘形滚刀（31）单独受力由三向力传感器（33）采集数据；所述的刀盘（9）通过刀盘传动接口（10）与转速—扭矩调节箱（11）连接，转速—扭矩调节箱（11）后接驱动电机(12)，转速—扭矩调节箱(11)和驱动电机(12)固定在底座(16)上，转速—扭矩调节箱(11)后通过支撑杆(13)与后支撑架(14)连接；

所述的数据采集与分析系统，数据采集系统包括数据处理终端（29）、推力传感器（3）、位移传感器（8）、声波发射器（17）、三向力传感器（33）以及数据传输线（30）；所述的推力传感器（3）、位移传感器（8）、声波发射器（17）、三向力传感器（33）通过数据传输线（30）连接到数据处理终端（29）；所述的数据处理终端（29）中数据分析系统包括图像处理系统和超声波成像分析系统。

2.根据权利要求1所述的双模式卧式TBM盘形滚刀磨损试验装置，其特征在于，所述的岩盘（4）、刀盘（9）、刀盘传动接口（10）、转速-扭矩调节箱（11）、驱动电机（12）和后支撑架（14）从左往右依次排列。

3.根据权利要求1所述的双模式卧式TBM盘形滚刀磨损试验装置，其特征在于，所述的后支撑架（14）通过斜杆与底座（16）固定，底座（16）固定于地面。

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