CN104807663B - 一种模拟tbm施工作业真实工况实验台的加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟TBM施工作业真实工况实验台的加载装置，包括加载装置底座和固定在加载装置底座上的固定外筒，所述固定外筒的前端设置有加载装置固定板，所述固定外筒内设有负载模拟机构、十字滑台机构、加载装置球铰机构、弯矩模拟机构和负载转矩模拟机构；可以保证安装有本发明加载装置的实验台实现TBM模型的直线掘进实验和TBM模型的水平或俯仰调向实验。而且简化了实验台的结构，使整机外形较小、能够在实验室条件下较准确地模拟TBM施工作业真实工况，可以准确模拟TBM掘进作业工况下围岩对护盾的约束作用，能够对比不同的围岩物理特性对TBM掘进轨迹纠偏及规划的影响，为TBM推进***的设计和控制提供依据。

Description

一种模拟TBM施工作业真实工况实验台的加载装置

技术领域

本发明涉及全断面硬岩掘进机(Tunnel Boring Machine，简称TBM)技术领域，具体涉及一种模拟TBM施工作业真实工况的实验台的用于加载的配套装置。

背景技术

TBM机构具有欠约束的特性，须借助围岩约束来实现掘进作业。TBM在施工作业中，地质环境复杂且承受强冲击载荷，不仅易导致整机振动强烈、关键结构件损伤，而且其掘进轨迹会出现偏离预定轨迹的情况。TBM作业工况主要分为直线掘进作业工况和调向作业工况，TBM在直线掘进作业工况下，由于刀盘前方岩石不均匀分布，会出现掘进方向载荷为偏载的情况；在调向作业工况下，由于刀盘偏转，在调向过程中也会受到掘进方向的偏载。故模拟TBM施工作业受力真实工况的重点是提供TBM刀盘所受偏载。此外，TBM在调向作业工况下还受到与其调向方向相反的弯矩，在切削岩石过程中还受到与其刀盘转动方向相反的负载扭矩。为应对TBM在复杂工况下掘进出现的上述问题，就需要搭建一种能模拟TBM真实作业工况下所受各种载荷的实验装置：即能将TBM施工作业受力的真实工况准确还原，并基于此实验装置研究TBM支撑推进换步机构在掘进过程中关键构件受力的变化规律，进而为设计精准、高效及高刚度的TBM支撑推进换步机构及控制提供依据，在此前提下，需要设计出一种与之配套的加载装置。

发明内容

针对现有技术，为了实验研究不同的围岩特性对TBM掘进轨迹的影响及TBM支撑推进换步机构在掘进过程中关键构件受力的变化规律，本发明提供一种模拟TBM施工作业真实工况实验台的加载装置，能准确模拟TBM施工作业真实工况，尤其是模拟不同围岩物理特性对TBM的约束作用，可以增加安装有本发明加载装置的实验台的功能，并简化了结构、整机外形较小、能够在实验室条件下较准确地模拟TBM施工作业真实工况，以其为平台进行后续实验实验结果较为可信的特点。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种模拟TBM施工作业真实工况实验台的加载装置，包括加载装置底座和固定在加载装置底座上的固定外筒，所述固定外筒的前端设置有加载装置固定板，所述固定外筒内设有负载模拟机构、十字滑台机构、加载装置球铰机构、弯矩模拟机构和负载转矩模拟机构；所述负载模拟机构包括加载轴和液压夹紧器，所述加载轴沿实验台的掘进方向穿过所述液压夹紧器；所述加载轴沿实验台的掘进方向穿过所述十字滑台机构和加载装置球铰机构；所述加载装置球铰机构包括嵌装在一盖板内的双球面滑板，所述双球面滑板的前端面为内凹球面，所述双球面滑板的后端面为外凸球面，所述盖板的前端面的中央区域为与所述双球面滑板的后端面相吻合的内凹球面；所述十字滑台机构包括垂直安装在所述加载装置固定板上的一对垂直方向的直线导轨，所述一对垂直方向的直线导轨上装配有垂直滑台，所述垂直滑台由固定在所述加载装置固定板上的垂直调整油缸驱动，所述垂直滑台的后端面上设一对水平方向的直线导轨，所述一对水平方向的直线导轨上装配有水平滑台，所述水平滑台由固定在所述垂直滑台上的水平调整油缸驱动，所述水平滑台的后端面的中央区域为与所述双球面滑板的前端面相吻合的外凸球面；所述盖板固定在所述水平滑台的后端面上，所述盖板与所述水平滑台之间设有弹性垫圈；所述水平滑台、双球面滑板和盖板之间为紧密接触；所述双球面滑板固定在所述液压夹紧器的后端面上；所述弯矩模拟机构包括设置在所述加载装置固定板与所述盖板之间上的第一弯矩油缸和第二弯矩油缸，所述第一弯矩油缸和第二弯矩油缸呈左右对称布置，所述盖板上设有左右对称的两个过孔，所述第一弯矩油缸和第二弯矩油缸的后法兰均与加载装置固定板固定，所述第一弯矩油缸和第二弯矩油缸的活塞杆端均分别穿过盖板上的过孔后与一压板铰接所述负载转矩模拟机构包括设置在所述固定外筒内的岩石板，所述岩石板的外缘上设有销钉，所述销钉置于所述条形通孔内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明提供了一种模拟TBM施工作业真实工况实验台的加载装置，该实验台具有功能齐全、结构较简单、外形较小、能够在实验室条件下较准确地模拟TBM施工作业真实工况，以其为平台进行后续实验实验结果较为可信的特点。

2)利用本发明进行TBM支撑推进换步机构性能的实验研究，通过设计和应用加载装置，准确地模拟了TBM施工作业真实工况中所受的偏载力、弯矩和扭矩等负载；允许在后续实验中通过改变所模拟的偏载力、弯矩和扭矩等负载的大小，找出TBM掘进过程中支撑推进换步机构关键构件受力的变化规律，进而为设计精准、高效及高刚度的支撑推进换步机构提供依据。

附图说明

图1是本发明安装有本发明加载装置的模拟TBM施工作业真实工况实验台的示意图；

图2-1是本发明加载装置的结构示意图；

图2-2是实验台中刀盘护盾的结构示意图；；

图3是图1中所示固定外筒内装配体的主视剖视图；

图4是图3所示固定外筒内装配体的俯视剖视图；

图5是图3中刀盘护盾部分的右视图；

图6是图1中所示支护装置结构立体图；

图7是图5中所示侧护盾油缸结构示意图。

图中：

1-加载装置 2-TBM模型 3-支护装置

4-底板 151-岩石板 16-固定外筒

17-加载装置固定板 18-加载装置底座 21-支撑推进换步机构

22-刀盘传动组件 23-护盾支撑组件 24-刀头后板

25-刀头前板 211、212-撑靴 221、222-联轴器

223、224-齿轮轴 225-内齿圈 226-耐磨铜片

227-齿圈轴向定位板 228-刀盘 231-底护盾

232-机头架 233-顶护盾 234-顶护盾油缸

235、236-侧护盾 237、238-侧护盾油缸 31、32-撑板座

33、34-撑靴撑板

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

安装有本发明加载装置的模拟TBM施工作业真实工况实验台，其结构如图1所示，包括加载装置1、TBM模型2、支护装置3和底板4，所述底板4上固定有本发明加载装置1；所述TBM模型2包括支撑推进换步机构21和与支撑推进换步机构21连接的刀盘护盾，所述加载装置1和刀盘护盾设置在一固定外筒16内，所述固定外筒16固定在加载装置底座18上，所述支护装置3设在支撑推进换步机构21的外侧。本发明提出的加载装置1和所述支护装置3均安装在底板4上。由于TBM作业工况主要分为直线掘进作业工况和调向作业工况，因此，该实验台主要实验功能包括TBM模型2的直线掘进实验和TBM模型2的水平或俯仰调向实验。

本发明的模拟TBM施工作业真实工况实验台的加载装置1为整个实验台模拟TBM掘进作业受力真实工况，如图2-1、图3和图4所示，该加载装置包括加载装置底座18和固定在加载装置底座18上的固定外筒16，所述固定外筒16的前端设置有加载装置固定板17，所述固定外筒16内设有负载模拟机构、十字滑台机构、加载装置球铰机构、弯矩模拟机构和负载转矩模拟机构。所述固定外筒16上设有条形通孔，所述条形通孔与实验台的掘进方向一，岩石板151的外缘上设有销钉152，所述销钉152置于所述条形通孔内，因此，该条形通孔起着岩石板151移动过程的导向作用。

如图2-1、图3和图4所示，本发明加载装置中的所述负载模拟机构包括加载轴111和液压夹紧器112，所述加载轴111沿实验台的掘进方向穿过所述液压夹紧器112；所述负载模拟机构的加载轴111沿实验台的掘进方向穿过所述十字滑台机构12和加载装置球铰机构13；所述负载模拟机构加载轴111的后端顶在所述岩石板151前端面，所述岩石板151后端面与所述TBM模型2前端贴合；实验台在进行直线掘进实验和调向实验时，TBM模型2通过岩石板151推动加载轴111沿掘进方向移动，因为液压夹紧器112与加载装置球铰机构相连，液压夹紧器112不能沿掘进方向移动，故液压夹紧器112与加载轴111产生相对滑动，又通过控制液压夹紧器112对夹紧加载轴111施加夹紧力，产生作用在加载轴111上的与掘进方向相反的摩擦力，此力通过加载轴111、岩石板151，最终作用在TBM模型2的前端；以此来模拟TBM掘进过程中刀盘所受的沿掘进方向的负载。此负载的大小可以通过控制液压夹紧器112夹紧力的大小来调整。

如图2-1、图3和图4所示，所述加载装置球铰机构13包括嵌装在一盖板132内的双球面滑板131，所述双球面滑板131的前端面为内凹球面，所述双球面滑板131的后端面为外凸球面，所述盖板132的前端面的中央区域为与所述双球面滑板131的后端面相吻合的内凹球面；所述盖板132与所述双球面滑板131中心加工有适当大小圆孔，可令加载轴111从中穿过且在实验过程中不发生干涉。

如图2-1、图3和图4所示，所述十字滑台机构12包括垂直安装在所述加载装置固定板17上的一对垂直方向的直线导轨122，所述一对垂直方向的直线导轨122上装配有垂直滑台121，所述垂直滑台121由固定在所述加载装置固定板17上的垂直调整油缸123驱动，所述垂直滑台121的后端面上设一对水平方向的直线导轨125，所述一对水平方向的直线导轨125上装配有水平滑台124，所述水平滑台124由固定在所述垂直滑台121上的水平调整油缸126驱动；垂直滑台121与水平滑台124中心都加工有适当大小圆孔，可令负载模拟机构从中穿过且在实验过程中不发生干涉；所述水平滑台124的后端面的中央区域为与所述双球面滑板131的前端面相吻合的外凸球面。

如图2-1、图3和图4所示，所述盖板132固定在所述水平滑台124的后端面上，所述盖板132与所述水平滑台124之间设有弹性垫圈133；所述弹性垫圈133中心加工有适当大小圆孔，可令加载轴111从中穿过且在实验过程中不发生干涉。所述水平滑台124、双球面滑板131和盖板132之间为紧密接触；所述双球面滑板131固定在所述液压夹紧器112的后端面上；实验台在进行调向实验时，所述双球面滑板131能够在水平滑台124和盖板132之间小幅滑动，进而带动夹紧器112与加载轴111自适应TBM模型2产生的水平和俯仰摆动；实验台在进行直线掘进实验和调向实验时，十字滑台机构12均能通过带动加载装置球铰机构13进而带动负载模拟机构11实现水平和竖直方向的平动，使加载轴111能够相对TBM模型2做水平和竖直方向的平动；如此一来，实验台能够通过控制十字滑台机构的垂直调整油缸123与水平调整油缸126，来改变负载模拟机构11所模拟负载在TBM模型2前端的作用位置，进而模拟TBM实际工况下刀盘所受的偏载。

如图2-1和图4所示，所述弯矩模拟机构14包括设置在所述加载装置固定板17与所述盖板132之间上的第一弯矩油缸141和第二弯矩油缸142，所述第一弯矩油缸141和第二弯矩油缸142呈左右对称布置，所述盖板132上设有左右对称的两个过孔，所述第一弯矩油缸141和第二弯矩油缸142的后法兰均与加载装置固定板17固定，所述第一弯矩油缸141和第二弯矩油缸142的活塞杆端均分别穿过盖板132上的过孔后与一压板143、144铰接；实验台在进行调向实验时，两个弯矩油缸141、142同时收缩，分别通过压板143与压板144挤压并带动盖板132对双球面滑板131施加压力，进而在双球面滑板131的两个球面上产生摩擦力矩，此摩擦力矩与TBM模型2的偏转方向相反，以此来模拟TBM调向工况下刀盘所受与其偏转方向相反的弯矩；此弯矩的大小可以通过控制第一弯矩油缸141和第二弯矩油缸142压力的大小来调整。

如图2-1、图3和图4所示，所述负载转矩模拟机构包括设置在所述加载装置1与TBM模型2之间的岩石板151，所述岩石板151的外缘上设有销钉152，所述销钉152置于所述条形通孔内；所述销钉152锁住岩石板151沿掘进方向转动的自由度，同时所述条形通孔使销钉152不限制岩石板151随TBM模型2沿掘进方向的移动；实验台在进行直线掘进实验和调向实验时，TBM模型2的转动部件相对岩石板151转动，岩石板151给予TBM模型2的转动部件与其转动方向相反的摩擦力矩，以此来模拟TBM实际工况中刀盘所受负载转矩。所述加载轴111和岩石板151可以通过人工或额外设置液压装置实现复位。

如图2-2、图3和图4所示，实验台中的刀盘护盾包括刀头前板25、刀盘传动组件22、护盾支撑组件23和刀头后板24；所述刀盘传动组件22包括与刀盘228固定的内齿圈225，所述内齿圈225由多套结构相同的驱动装置带动，本实施例中该内齿圈225是由两套左右对称布置的结构相同的第一驱动装置和第二驱动装置带动，所述第一驱动装置包括与伺服电机Ⅰ依次连接的联轴器221和与内齿圈225啮合的齿轮轴223；所述第二驱动装置包括与伺服电机Ⅱ依次连接的联轴器222和与内齿圈225啮合的齿轮轴224；所述伺服电机Ⅰ和伺服电机Ⅱ分别固定在刀头后板24上；所述内齿圈225的后端设有台阶面，所述刀头前板25套在所述台阶面上，所述内齿圈225的后端面上固定有齿圈轴向定位板227；所述刀头前板25与所述内齿圈225之间及所述刀头前板25与齿圈轴向定位板227之间均分别设有耐磨铜片226；耐磨铜片226可以有效降低内齿圈225转动时分别与刀头前板25和齿圈轴向定位板227产生的摩擦。实验台在进行直线掘进实验和调向实验时，所述刀盘228向前顶在岩石板151上；以所述多套驱动装置为输入通过内齿圈225带动刀盘228转动，并提供刀盘228转动的驱动转矩，以平衡TBM模型2所受的负载转矩。所述护盾支撑组件23包括底护盾231、顶护盾233和左右对称布置的两个侧护盾235、236，所述底护盾231的前后两端与刀头前板25和刀头后板24固定，所述刀头前板25和刀头后板24之间设有多组螺栓连接件，所述底护盾231的底部向前延伸出一岩石板托板；所述岩石板151布置在所述岩石板托板上；所述底护盾231的上面固定有机头架，所述机头架与顶护盾233之间、所述机头架与左右对称布置的两个侧护盾235、236之间均分别设有护盾油缸234、237、238，所述护盾油缸234、237、238两端的连接采用铰接。

如图2-2、图3、图4、图5和图7所示，所述顶护盾233的后端面上设有垂直方向的滑道，所述刀头后板24的前端面上设有与所述滑道配合的导轨239；所述左右对称布置的两个侧护盾235、236的下端均分别与所述底护盾231铰接；每个护盾油缸234、237、238的有杆腔502内均布置有一截锥螺旋弹簧501；实验台在进行直线掘进实验和调向实验前，先令各个护盾油缸234、237、238活塞杆伸出一段距离，同时压缩各护盾油缸234、237、238有杆腔502布置的截锥螺旋弹簧501，直到将截锥螺旋弹簧501压缩至其刚度大小能够等效TBM实际工况中围岩的刚度大小时停止；由于截锥螺旋弹簧501具有变刚度特性，与TBM实际工况中围岩刚度物理特性类似，故此时的截锥螺旋弹簧501的刚度能够模拟TBM实际工况中围岩的刚度特性；直线掘进实验和调向实验开始后，首先令各个护盾油缸234、237、238活塞杆带动各自所铰接护盾张开1～2mm，同时压缩有杆腔502的截锥螺旋弹簧501，以模拟TBM实际工况中，在其刀盘掘进前，先将护盾撑紧在洞壁岩石上，岩石有一定变形这一过程；因为此时实验台由顶护盾233和两侧侧护盾235、236经过各自所连护盾油缸234、237、238和截锥螺旋弹簧501到机头架232的刚度拓扑关系分别为串联关系，与TBM实际工况中由围岩经过护盾和油缸到机头架的刚度拓扑关系类似；截锥螺旋弹簧501的刚度又能够模拟TBM实际工况中围岩的刚度特性，故此时护盾支撑部分23能够模拟TBM实际工况中围岩对护盾的约束作用。合理选取不同的截锥螺旋弹簧501，可以对比TBM实际工况中不同围岩物理特性对护盾的约束作用。

如图3和图4所示，所述刀头后板24与所述支撑推进换步机构21固连。

如图1所示，实验台中的支撑推进换步机构21包括主梁、鞍架、推进油缸支链、支撑油缸支链，位于主梁同侧的推进油缸支链和支撑油缸支链的活塞杆端铰接有撑靴；所述支撑推进换步机构21作为本实验台研究对象；实验台在进行直线掘进实验和调向实验时，支撑推进换步机构21作为TBM模型2的核心传动部件，使TBM模型2能够实现直线掘进和调向运动。

如图1和图6所示，实验台中的支护装置3包括左右对称布置的撑板座31、32；所述两个撑板座之间设有多条可调节的拉杆，以此实现支护装置3安装位置的调整和强度的增加；所述两个撑板座的内侧分别设有撑靴撑板33、34，实验台在进行直线掘进实验和调向实验时，所述支撑推进换步机构21依靠两侧的撑靴211、212支撑在所述支护装置3的撑靴撑板33、34上，两侧的撑靴与撑靴撑板间的摩擦力为TBM模型2向前掘进提供反作用力。

如图1所示，实验台中的底板4上沿实验台的掘进方向设有多条T形槽，所述加载装置底座18和支护装置3的撑板座31、32通过地脚螺栓固定在底板4上。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种模拟TBM施工作业真实工况实验台的加载装置，包括加载装置底座(18)和固定在加载装置底座(18)上的固定外筒(16)，所述固定外筒(16)内设有岩石板(151)，其特征在于，所述固定外筒(16)的前端设置有加载装置固定板(17)，所述固定外筒(16)内设有负载模拟机构、十字滑台机构、加载装置球铰机构、弯矩模拟机构和负载转矩模拟机构；

所述负载模拟机构包括加载轴(111)和液压夹紧器(112)，所述加载轴(111)沿实验台的掘进方向穿过所述液压夹紧器(112)；所述加载轴(111)沿实验台的掘进方向穿过所述十字滑台机构和加载装置球铰机构；

所述加载装置球铰机构包括嵌装在一盖板(132)内的双球面滑板(131)，所述双球面滑板(131)的前端面为内凹球面，所述双球面滑板(131)的后端面为外凸球面，所述盖板(132)的前端面的中央区域为与所述双球面滑板(131)的后端面相吻合的内凹球面；

所述十字滑台机构包括垂直安装在所述加载装置固定板(17)上的一对垂直方向的直线导轨(122)，所述一对垂直方向的直线导轨(122)上装配有垂直滑台(121)，所述垂直滑台(121)由固定在所述加载装置固定板(17)上的垂直调整油缸(123)驱动，所述垂直滑台(121)的后端面上设一对水平方向的直线导轨(125)，所述一对水平方向的直线导轨(125)上装配有水平滑台(124)，所述水平滑台(124)由固定在所述垂直滑台(121)上的水平调整油缸(126)驱动，所述水平滑台(124)的后端面的中央区域为与所述双球面滑板(131)的前端面相吻合的外凸球面；

所述盖板(132)固定在所述水平滑台(124)的后端面上，所述盖板(132)与所述水平滑台(124)之间设有弹性垫圈(133)；所述水平滑台(124)、双球面滑板(131)和盖板(132)之间为紧密接触；所述双球面滑板(131)固定在所述液压夹紧器(112)的后端面上；

所述弯矩模拟机构包括设置在所述加载装置固定板(17)与所述盖板(132)之间上的第一弯矩油缸(141)和第二弯矩油缸(142)，所述第一弯矩油缸(141)和第二弯矩油缸(142)呈左右对称布置，所述盖板(132)上设有左右对称的两个过孔，所述第一弯矩油缸(141)和第二弯矩油缸(142)的后法兰均与加载装置固定板(17)固定，所述第一弯矩油缸(141)和第二弯矩油缸(142)的活塞杆端均分别穿过盖板(132)上的过孔后与一压板(143、144)铰接；

所述负载转矩模拟机构包括设置在所述固定外筒(16)内的岩石板(151)，所述岩石板(151)的外缘上设有销钉(152)，所述销钉(152)置于一条形通孔内。

2.根据权利要求1所述模拟TBM施工作业真实工况实验台的加载装置，其特征在于，在实验台的底板(4)上沿实验台的掘进方向设有多条T形槽，所述加载装置底座(18)通过地脚螺栓固定在所述底板(4)上。