CN111157389A - 一种具有直线/旋转双模式的tbm破岩试验台 - Google Patents

Abstract

本发明属于隧道工程设备领域，具体涉及一种具有直线/旋转双模式的TBM破岩试验台。解决了现有技术中TBM破岩试验装置功能单一、结构复杂、受力不合理以及无法真实模拟盾构机(TBM)实际工况的问题。本发明的技术方案是：包括底座和安装架，所述安装架上安装有加载装置，所述底座包括上试验台和下试验台，所述上试验台的一侧设置有第一水平液压缸和第一轨道，第一轨道上设置有直线式土箱装置，所述下试验台上设置有第二水平液压缸和第二轨道，所述第二轨道上设置有旋转式土箱装置，所述第一轨道和第二轨道位于加载装置的下方。本发明结构更加合理，能够真实模拟盾构机的实际工况，适用于盾构机直线和旋转两种模式的破岩试验。

Description

一种具有直线/旋转双模式的TBM破岩试验台

技术领域

本发明属于隧道工程设备领域，具体涉及一种具有直线/旋转双模式的TBM破岩试验台。

背景技术

盾构机是一种专门用于地下隧道工程开挖的大型高科技施工设备，在盾构施工过程中，刀具磨损研究对于盾构机顺利掘进以及减少成本具有重要意义。盾构滚刀及切刀是刀盘破岩的主要刀具，滚刀刀圈属于易损易消耗的部件，破岩时直接作用于开挖面，具有工作环境恶劣、工作荷载不稳定、受荷载冲击大等特点，其耗损和寿命直接影响着掘进的质量、效率和成本。同时，切刀在掘进过程中也会存在相当大的磨损。因此，对滚刀和切刀磨损机理研究尤为重要。

盾构刀盘的直径可达6～10m，位于其边缘的刀具切割岩石的部分轨迹更近似于直线，因此盾构刀具试验台有直线式和回转式两种形式，直线式试验台模拟位于刀盘边缘位置的刀具，回转式试验台模拟位于刀盘中心位置的刀具。

目前美国科罗拉多矿业大学、国内中南大学、北京工业大学等高等院校及中铁隧道集团有限责任公司等机构对盾构刀具切削岩石进行了研究。科罗拉多矿业大学制作了线性切割试验台(Linear Cutting Machine),南京大学的姚羲和(TBM盘形滚刀线性切割试验中岩石破裂模式研究[D].南京：南京大学岩石力学与工程学院，2014：8.)也在其研究中使用了直线式刀具破岩试验台，但其仅能模拟单刀直线式滚压破岩过程，无法模拟原岩围压效应以及位于刀盘中心位置刀具的破岩。中南大学的张魁(公开号：CN101446537A)的专利装置中可同时安装多把滚刀来模拟多滚刀回转滚压破岩，但无法模拟位于刀盘中心位置刀具的破岩且没有将岩石围压效应等因素纳入研究。中铁隧道集团有限责任公司实用新型了一种TBM破岩试验装置(公开号：CN 102359919B),该装置同样无法进行考虑原岩围压效应和刀具运动形式等因素的切削试验。此外湘潭大学实用新型了一种岩石物料仓及TBM滚刀回转滚压破岩试验台(公开号：CN209342354U)，该试验台可以实现展有/无围压条件下滚刀回转破岩试验，但其岩石物料仓结构复杂，且由于该试验台只安装了一把刀，回转试验时大概率会对刀轴以及岩箱下方的导轨造成较大的弯矩/扭矩以致试验台损坏。

综上所述，现有技术中的TBM破岩试验装置存在功能单一、结构复杂、受力不合理以及无法真实模拟盾构机(TBM)实际工况的问题，不能满足TBM破岩试验的需要。

发明内容

针对现有技术中TBM破岩试验装置功能单一、结构复杂、受力不合理以及无法真实模拟盾构机(TBM)实际工况的问题，本发明提供一种具有直线/旋转双模式的TBM破岩试验台，其目的在于：优化TBM破岩试验装置的结构，使其结构更加合理，并且能够真实模拟盾构机的实际工况，满足TBM破岩试验需要。

本发明采用的技术方案如下：

一种具有直线/旋转双模式的TBM破岩试验台，包括底座和安装架，所述安装架的底部与底座固定连接，所述安装架上安装有加载装置，所述底座包括上试验台和下试验台，所述上试验台的一侧设置有第一水平液压缸和第一轨道，第一轨道上设置有直线式土箱装置，所述直线式土箱装置与第一水平液压缸连接，所述下试验台上设置有第二水平液压缸和第二轨道，所述第二轨道上设置有旋转式土箱装置，所述旋转式土箱装置与第二水平液压缸连接，所述第一轨道和第二轨道位于加载装置的下方。

采用该技术方案后，本发明能够分别进行直线式破岩试验和旋转式破岩试验，并且将直线式土箱装置与旋转式土箱装置分别设置上试验台和下试验台上，直线式土箱装置和旋转式土箱装置结构简单，受力更加合理，不会对其下方的第一轨道和第二轨道造成较大的弯矩或者扭矩，整个试验台的结构更加稳定，能够降低试验台损坏的风险，延长试验台的使用寿命。

优选的，所述直线式土箱装置包括直线式土箱工作台，所述直线式土箱工作台与第一水平液压缸连接，所述直线式土箱工作台上设置有直线式土箱，所述直线式土箱中放置有直线式岩样。

采用该优选方案后，直线式岩样能够通过第一水平液压缸进行直线运动，模拟TBM直线破岩试验，直线式土箱工作台作为直线式土箱的底部，用于承受加载装置的压力，第一水平液压缸推动直线式土箱工作台在第一轨道上移动，用于调节直线式土箱的位置，第一水平液压缸收回或伸出，产生纵向进给速度，使刀具能够连续直线切割破岩。破岩完成后，第一水平液压缸能够将直线式土箱装置推出工作区域，准备下一次的放料。

优选的，所述直线式土箱工作台上设置有导轨，所述导轨的轴线方向与第一水平液压缸的轴线方向垂直，所述导轨上设置有保压架，所述直线式土箱位于保压架内，所述保压架上设置有两个相对设置的第一保压液压缸和两个相对设置的第二保压液压缸，所述第一保压液压缸与第二保压液压缸互相垂直，所述第一保压液压缸的活动端与直线式土箱连接，所述第二保压液压缸的轴线方向与导轨的方向相同，第二保压液压缸的固定端与直线式土箱工作台连接，第二保压液压缸的活动端与直线式土箱连接。

采用该优选方案后，第一保压液压缸和第二保压液压缸能够对直线式土箱进行加载，能够模拟原岩围压效应，使直线式土箱能够真实模拟盾构机(TBM)的实际工况，试验的结果更加准确，而且第二保压液压缸能够实现直线式土箱在导轨的方向上移动，从而实现刀具在直线式岩样不同位置的多次切削。破岩完成后，第二水平液压缸能够将旋转式土箱装置推出工作区域，准备下一次的放料。

优选的，所述旋转式土箱装置包括旋转式土箱工作台，所述旋转式土箱工作台与第二水平液压缸连接，所述旋转式土箱工作台上设置有电机和回转轴承，所述回转轴承上同轴设置有直齿轮和旋转式土箱，所述旋转式土箱中放置有旋转式岩样，所述电机连接有锥齿轮组，所述锥齿轮组与直齿轮啮合。

采用该优选方案后，电机带动锥齿轮组转动，锥齿轮组带动直齿轮转动，进而带动旋转式土箱转动，加载装置对旋转式岩样进行加载，进行旋转式破岩试验，通过第二水平液压缸的伸长或缩回，旋转式土箱工作台移动所需的刀间距，从而实现刀具在旋转式岩样上不同位置的多次切削。

优选的，所述上试验台远离第一水平液压缸的一侧开设有通槽，所述通槽位于上第一轨道之间且位于加载装置的下方，所述通槽靠近第一水平液压缸的一端为圆弧形，旋转式土箱位于所述通槽中且旋转式土箱的顶面与上试验台位于同一水平面上。

采用该优选方案后，直线式土箱与旋转式土箱不会发生干涉，位于下方的旋转式土箱不影响位于上方的旋转式土箱在第一轨道上滑动。

优选的，所述上试验台和下试验台之间设置有数个加劲板，所述加劲板的形状为直角三角形。

采用该优选方案后，底座的结构更加稳定，在破岩试验时不易发生变形或者被加载装置压坏。

优选的，所述安装架包括上端盖和导柱，所述导柱中设置有预应力，导柱的下端与底座可拆卸连接。

采用该优选方案后，破岩试验台便于安装和拆卸，而且能够节省空间。

优选的，所述加载装置包括竖直液压缸，竖直液压缸下端连接有刀具移动台，所述刀具移动台与导柱滑动连接，所述刀具移动台下部设置有刀盘，所述刀盘上设置有数个刀座。

采用该优选方案后，竖直液压缸能够推动刀具移动台上下移动，刀盘上可安装一把或者多把刀具，当只在位于刀盘中心的刀座上安装刀具时，能够模拟位于刀盘中心位置刀具的破岩，当在其他位置的刀座上安装一把刀具时，能够模拟单刀直线式滚压破岩过程，当在刀座上安装多把刀具时，能够模拟旋转式破岩试验，导柱能够导向和传递扭矩。

优选的，所述数个刀座位于同一条阿基米德螺旋线上。

采用该优选方案后，数个刀座位于同一条阿基米德螺旋线上，能够更加真实的模拟盾构刀盘实际工况，试验结果更加准确。

优选的，所述刀盘与旋转式土箱装置的中心轴相同。

采用该优选方案后，刀盘与旋转式土箱装置相对旋转动且中心轴相同，能够真实模拟盾构机(TBM)在旋转破岩时的实际受力情况，试验结果更加准确。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明能够分别进行直线式破岩试验和旋转式破岩试验，并且将直线式土箱装置与旋转式土箱装置分别设置上试验台和下试验台上，直线式土箱装置和旋转式土箱装置结构简单，受力更加合理，不会对其下方的第一轨道和第二轨道造成较大的弯矩或者扭矩，整个试验台的结构更加稳定，能够降低试验台损坏的风险，延长试验台的使用寿命。

2.直线式岩样能够通过第一水平液压缸进行直线运动，模拟TBM直线破岩试验，直线式土箱工作台作为直线式土箱的底部，用于承受加载装置的压力，第一水平液压缸推动直线式土箱工作台在第一轨道上移动，用于调节直线式土箱的位置，第一水平液压缸收回或伸出，产生纵向进给速度，使刀具能够连续直线切割破岩。破岩完成后，第一水平液压缸能够将直线式土箱装置推出工作区域，准备下一次的放料。

3.第一保压液压缸和第二保压液压缸能够对直线式土箱进行加载，能够模拟原岩围压效应，使直线式土箱能够真实模拟盾构机(TBM)的实际工况，试验的结果更加准确，而且第二保压液压缸能够实现直线式土箱在导轨的方向上移动，从而实现刀具在直线式岩样不同位置的多次切削。破岩完成后，第二水平液压缸能够将旋转式土箱装置推出工作区域，准备下一次的放料。

4.电机带动锥齿轮组转动，锥齿轮组带动直齿轮转动，进而带动旋转式土箱转动，加载装置对旋转式岩样进行加载，进行旋转式破岩试验，通过第二水平液压缸的伸长或缩回，旋转式土箱工作台移动所需的刀间距，从而实现刀具在旋转式岩样上不同位置的多次切削。

5直线式土箱与旋转式土箱不会发生干涉，位于下方的旋转式土箱不影响位于上方的旋转式土箱在第一轨道上滑动。

6.上试验台和下试验台之间设置有数个加劲板底座的结构更加稳定，在破岩试验时不易发生变形或者被加载装置压坏。

7.破岩试验台便于安装和拆卸，而且能够节省空间。

8.竖直液压缸能够推动刀具移动台上下移动，刀盘上可安装一把或者多把刀具，当只在位于刀盘中心的刀座上安装刀具时，能够模拟位于刀盘中心位置刀具的破岩，当在其他位置的刀座上安装一把刀具时，能够模拟单刀直线式滚压破岩过程，当在刀座上安装多把刀具时，能够模拟旋转式破岩试验，导柱能够导向和传递扭矩。

9.数个刀座位于同一条阿基米德螺旋线上，能够更好的模拟盾构刀盘真实的工况，试验结果更加准确。

10.刀盘与旋转式土箱装置相对旋转动且中心轴相同，能够真实模拟盾构机(TBM)在旋转破岩时的实际受力情况，试验结果更加准确。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的结构示意图；

图2是直线式土箱的安装示意图；

图3是旋转式土箱的安装示意图；

图4是旋转破岩模式时岩样加载装置的安装示意图；

图5是刀盘的结构示意图。

其中，1-底座，11-上试验台，12-下试验台，13-加劲板，14-第一轨道，15-第二轨道，21-导柱，22-上端盖，31-竖直液压缸，32-刀具移动台，33-刀盘，34-刀座，41-直线式岩样，42-直线式土箱工作台，43-第一水平液压缸，44-直线式土箱，45-保压架，46-第一保压液压缸，47-第二保压液压缸，48-导轨，51-旋转式岩样，52-第二水平液压缸，53-旋转式土箱工作台，54-电机，55-锥齿轮组，56-直齿轮，57-旋转式土箱，58-回转轴承。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合图1～图5对本发明作详细说明。

一种具有直线/旋转双模式的TBM破岩试验台，包括底座1和安装架，所述安装架的底部与底座1螺栓连接，所述安装架上安装有加载装置。所述底座1采用双层结构，包括上试验台11和下试验台12，所述上试验台11的一侧设置有第一水平液压缸43和第一轨道14，第一轨道14上设置有直线式土箱装置，所述直线式土箱装置与第一水平液压缸43连接。所述下试验台12上设置有第二水平液压缸52和第二轨道15，所述第二轨道15上设置有旋转式土箱装置，所述旋转式土箱装置与第二水平液压缸52连接。所述第一轨道14和第二轨道15位于加载装置的下方，第一水平液压缸43能够驱动将直线式土箱装置移动到加载装置下方进行加载，第二水平液压缸52能够驱动旋转式土箱装置移动到加载装置下方进行加载。

所述直线式土箱装置包括直线式土箱工作台42，所述直线式土箱工作台42与第一水平液压缸43连接，所述直线式土箱工作台42上设置有直线式土箱44，所述直线式土箱44中放置有直线式岩样41。

以图2为例，以第一水平液压缸43的方向为X方向，垂直于第一水平液压缸43的方向为Y方向。所述直线式土箱工作台42上设置有两个导轨48，所述两个导轨48的方向分别与Y方向平行，所述导轨48上设置有保压架45，所述直线式土箱44位于保压架45内。本实施例中，保压架45的形状为矩形，保压架45在X方向上设置两个第一保压液压缸46以对直线式岩样41进行加压。保压架45在Y方向上设置有两个第二保压液压缸47以对直线式岩样进行Y方向的加压以及实现直线式岩样在Y方向的移动。所述第一保压液压缸46的活动端与直线式土箱44连接，第二保压液压缸47的固定端与直线式土箱工作台42连接，第二保压液压缸47的活动端与直线式土箱44连接。

所述旋转式土箱装置包括旋转式土箱工作台53，所述旋转式土箱工作台53与第二水平液压缸52连接，所述旋转式土箱工作台53上设置有电机54和回转轴承58，所述回转轴承58上同轴设置有直齿轮56和旋转式土箱57，所述旋转式土箱57中放置有旋转式岩样51，所述电机54连接有锥齿轮组55，所述锥齿轮组55与直齿轮56啮合。电机54通过联轴器、锥齿轮组55、直齿轮使旋转式岩样51旋转。回转轴承58上安装了编码器，用于测量破岩的功率、扭矩及旋转速度。

所述上试验台11远离第一水平液压缸43的一侧开设有通槽，所述通槽位于上第一轨道14之间且位于加载装置的下方，所述通槽靠近第一水平液压缸43的一端为圆弧形，旋转式土箱57位于所述通槽中且旋转式土箱57的顶面与上试验台11位于同一水平面上。

所述上试验台11和下试验台12之间设置有数个加劲板13，所述加劲板13的形状为直角三角形。

所述安装架包括上端盖22和四根导柱21，所述导柱21中设置有预应力，导柱21的下端与底座1螺栓连接。四根导柱21用来导向和传递扭矩。

所述加载装置包括竖直液压缸31，竖直液压缸31下端连接有刀具移动台32，所述刀具移动台32与四根导柱21滑动连接，所述刀具移动台32下部设置有刀盘33，所述刀盘33上设置有数个刀座34，刀座34用于安装刀具。本实施例中，刀座34的数量为三个，所述三个刀座34位于同一条阿基米德螺旋线上。所述刀盘33与旋转式土箱装置的转轴相同。

本发明还包括测试***，所述测试***包括工控机、数据采集卡、压力流量速度传感器、三维力传感器、高速摄像机等对切削岩土的过程进行测试刀盘上中心刀具与边缘刀具的破岩情况、岩土破碎特性。

本发明的具体工作过程是：

1)试验台进行直线式切割时，先将直线式岩样41放入直线式土箱44，然后用第一水平液压缸43将直线式土箱工作台42推到刀具的切削范围；

2)通过改变液压***压力、流量来改变截割速度、截割深度等参数，驱动竖直液压缸31向下进给，给直线式岩样41一个竖直的静压载荷，并且使第一水平液压缸43同时收回或伸出，产生纵向进给速度，使刀具能够连续直线切割破岩，第一保压液压缸46、第二保压液压缸47对土箱进行加压；

3)通过刀具对直线式岩样41进行逐层切削，通过位移传感器保持切削时刀具侵入直线式岩样41深度一致，使刀具沿直线式岩样41纵向方向逐层切削，从而实现刀具在直线式岩样41某个位置能够多次切削；

4)完成直线式岩样41某个位置的切削试验后，使两个第二保压液压缸47收回或伸出使保压架45在Y方向上移动所需的刀间距，重复上述2、3步骤，从而实现刀具在直线式岩样41上不同位置的多次切削；

5)试验台进行旋转式切割时，用第二水平液压缸52将旋转式土箱工作台53推到最前端，将旋转式岩样51放入旋转式土箱57内，再将旋转式土箱工作台53拉回至刀具切削范围；

6)通过改变液压***压力、流量来改变截割速度、截割深度等参数，驱动竖直液压缸31向下进给，给旋转式岩样51一个竖直的静压载荷，并且使电机54运转，通过联轴器、锥齿轮组55、回转轴承58等减速及传递扭矩带动旋转式土箱57旋转。

7)通过刀具对旋转式岩样51进行逐层切削，通过位移传感器保持切削时刀具侵入旋转式岩样51深度一致，使刀具沿旋转式岩样51纵向方向逐层切削，从而实现刀具在旋转式岩样某个位置能够多次切削；

8)完成旋转式岩样51某个位置的切削试验后，使第二水平液压缸52收回或伸出使旋转式土箱工作台53在X方向上移动所需的刀间距，重复上述6、7步骤，从而实现刀具在旋转式岩样51上不同位置的多次切削。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有直线/旋转双模式的TBM破岩试验台，其特征在于：包括底座(1)和安装架，所述安装架的底部与底座(1)固定连接，所述安装架上安装有加载装置，所述底座(1)包括上试验台(11)和下试验台(12)，所述上试验台(11)的一侧设置有第一水平液压缸(43)和第一轨道(14)，第一轨道(14)上设置有直线式土箱装置，所述直线式土箱装置与第一水平液压缸(43)连接，所述下试验台(12)上设置有第二水平液压缸(52)和第二轨道(15)，所述第二轨道(15)上设置有旋转式土箱装置，所述旋转式土箱装置与第二水平液压缸(52)连接，所述第一轨道(14)和第二轨道(15)位于加载装置的下方。

2.如权利要求1所述的一种具有直线/旋转双模式的TBM破岩试验台，其特征在于，所述直线式土箱装置包括直线式土箱工作台(42)，所述直线式土箱工作台(42)与第一水平液压缸(43)连接，所述直线式土箱工作台(42)上设置有直线式土箱(44)，所述直线式土箱(44)中放置有直线式岩样(41)。

3.如权利要求2所述的一种具有直线/旋转双模式的TBM破岩试验台，其特征在于，所述直线式土箱工作台(42)上设置有导轨(48)，所述导轨(48)的轴线方向与第一水平液压缸(43)的轴线方向垂直，所述导轨(48)上设置有保压架(45)，所述直线式土箱(44)位于保压架(45)内，所述保压架(45)上设置有两个相对设置的第一保压液压缸(46)和两个相对设置的第二保压液压缸(47)，所述第一保压液压缸(46)与第二保压液压缸(47)互相垂直，所述第一保压液压缸(46)的活动端与直线式土箱(44)连接，所述第二保压液压缸(47)的轴线方向与导轨(48)的方向相同，第二保压液压缸(47)的固定端与直线式土箱工作台(42)连接，第二保压液压缸(47)的活动端与直线式土箱(44)连接。

4.如权利要求1所述的一种具有直线/旋转双模式的TBM破岩试验台，其特征在于，所述旋转式土箱装置包括旋转式土箱工作台(53)，所述旋转式土箱工作台(53)与第二水平液压缸(52)连接，所述旋转式土箱工作台(53)上设置有电机(54)和回转轴承(58)，所述回转轴承(58)上同轴设置有直齿轮(56)和旋转式土箱(57)，所述旋转式土箱(57)中放置有旋转式岩样(51)，所述电机(54)连接有锥齿轮组(55)，所述锥齿轮组(55)与直齿轮(56)啮合。

5.如权利要求4所述的一种具有直线/旋转双模式的TBM破岩试验台，其特征在于，所述上试验台(11)远离第一水平液压缸(43)的一侧开设有通槽，所述通槽位于上第一轨道(14)之间且位于加载装置的下方，所述通槽靠近第一水平液压缸(43)的一端为圆弧形，旋转式土箱(57)位于所述通槽中且旋转式土箱(57)的顶面与上试验台(11)位于同一水平面上。

6.如权利要求1所述的一种具有直线/旋转双模式的TBM破岩试验台，其特征在于，所述上试验台(11)和下试验台(12)之间设置有数个加劲板(13)，所述加劲板(13)的形状为直角三角形。

7.如权利要求1所述的一种具有直线/旋转双模式的TBM破岩试验台，其特征在于，所述安装架包括上端盖(22)和导柱(21)，所述导柱(21)中设置有预应力，导柱(21)的下端与底座(1)可拆卸连接。

8.如权利要求7所述的一种具有直线/旋转双模式的TBM破岩试验台，其特征在于，所述加载装置包括竖直液压缸(31)，竖直液压缸(31)下端连接有刀具移动台(32)，所述刀具移动台(32)与导柱(21)滑动连接，所述刀具移动台(32)下部设置有刀盘(33)，所述刀盘(33)上设置有数个刀座(34)。

9.如权利要求8所述的一种具有直线/旋转双模式的TBM破岩试验台，其特征在于，所述数个刀座(34)位于同一条阿基米德螺旋线上。

10.如权利要求8所述的一种具有直线/旋转双模式的TBM破岩试验台，其特征在于，所述刀盘(33)与旋转式土箱装置的转轴相同。

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