CN113063618B - 一种微波辅助回转破岩的tbm掘进试验台 - Google Patents

一种微波辅助回转破岩的tbm掘进试验台 Download PDF

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Abstract

一种微波辅助回转破岩的TBM掘进试验台,包括掘进试验台主体及微波辅助破岩***;掘进试验台主体包括底座、翻转支架、活动支架、翻转油缸、推进油缸及刀盘;翻转支架铰接在底座上,翻转油缸连接在底座与翻转支架之间;活动支架同轴套装在翻转支架上且可轴向移动;推进油缸连接在翻转支架与活动支架之间;刀盘同轴设置在活动支架内部且可自由回转;活动支架内部安装有刀盘回转驱动电机;微波辅助破岩***安装在活动支架和刀盘之间;刀盘正对侧的翻转支架上设有岩样承放箱,滚刀与岩样表面正对。本发明的掘进试验台可在垂直破岩模拟状态和水平破岩模拟状态之前转换,可开展微波辅助回转破岩条件下的TBM掘进模拟试验以及微波作用下多滚刀破岩。

Description

一种微波辅助回转破岩的TBM掘进试验台
技术领域
本发明属于岩体及隧道工程技术领域,特别是涉及一种微波辅助回转破岩的TBM掘进试验台。
背景技术
TBM(全断面硬岩隧道掘进机)已在铁路、水电、公路、地铁等需要穿越岩层的隧道工程中得到广泛应用,而刀盘刀具破岩技术又是TBM技术的核心,为了掌握滚刀破岩技术,需要采用TBM掘进综合试验台在实验室内准确模拟滚刀的破岩过程。
TBM掘进综合试验台可对不同种类岩石或相似材料进行TBM掘进模拟试验,可针对不同的刀具、刀间距、切削速度、贯入度等开展多滚刀破岩测试,研究不同刀具参数导致的破岩效率和刀具寿命的变化,为相应的工程配置不同材质的刀具,以满足实际施工的需要。
但是,当TBM遇到硬岩、极硬岩隧道时,TBM的滚刀磨损严重,会导致维修率和施工成本增加,容易造成工期的延误,严重时会导致TBM无法掘进。目前,很多研究机构都在探索新型辅助破岩技术,用于解决TBM滚刀切削坚硬岩石时刀具磨损严重的问题,其中的微波辅助破岩就是一种非常有潜力的新型辅助破岩技术。然而,现有的TBM掘进综合试验台在研发设计时都没有考虑与微波辅助破岩技术结合的情况,从而限制了TBM掘进综合试验台的研究能力。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供一种微波辅助回转破岩的TBM掘进试验台,能够在垂直破岩模拟状态和水平破岩模拟状态之前转换,可开展微波辅助回转破岩条件下的TBM掘进模拟试验以及微波作用下多滚刀破岩试验,为研究不同微波作用参数对TBM破岩效率和刀具寿命的影响作用提供了可行性方案。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:一种微波辅助回转破岩的TBM掘进试验台,包括掘进试验台主体及微波辅助破岩***;所述掘进试验台主体包括底座、翻转支架、活动支架、翻转油缸、推进油缸及刀盘;所述底座固定设置在地面上,所述翻转支架铰接在底座上,翻转支架可绕铰接轴自由转动;所述翻转油缸连接在底座与翻转支架之间,翻转油缸的缸筒端铰接在底座上,翻转油缸的活塞杆端部铰接在翻转支架上;所述活动支架同轴套装在翻转支架上,活动支架相对于翻转支架具有轴向移动自由度;所述推进油缸连接在翻转支架与活动支架之间,推进油缸的缸筒端铰接在翻转支架上,推进油缸的活塞杆端部铰接在活动支架上;所述刀盘位于活动支架内部,刀盘与活动支架同轴设置,刀盘通过轴承与活动支架相连接,刀盘相对于活动支架具有回转自由度;在所述活动支架内部安装有刀盘回转驱动电机,刀盘回转驱动电机的电机轴与刀盘之间通过齿轮进行动力传递;所述微波辅助破岩***安装在活动支架和刀盘之间;在所述刀盘正对侧的翻转支架上设置有岩样承放箱,岩样承放箱内用于固定安装岩样,所述刀盘上的滚刀与岩样表面正对。
所述微波辅助破岩***包括微波发生器、隔离器、调配器、第一传输波导、旋转波导、功率分配器、柔性波导、第二传输波导及微波加热器;所述柔性波导的数量为两根,所述第二传输波导的数量为两根,所述微波加热器的数量为两个;所述旋转波导安装在刀盘中心处,旋转波导的微波输出端与微波输入端采用同轴套装结构,旋转波导的微波输出端相对于微波输入端具有回转自由度,旋转波导的微波输出端与刀盘固定连接;所述微波发生器固定安装在活动支架上,微波发生器的微波输出端与旋转波导的微波输入端依次通过隔离器、调配器及第一传输波导相连;所述隔离器用于吸收未被岩样吸收而反射回的微波能量;所述调配器用于对阻抗进行自动匹配调节,使微波发生器产生的微波能量被岩样充分吸收;所述功率分配器的微波输入端与旋转波导的微波输出端相连,功率分配器的微波输出端分两路进行输出,每一路均与一根柔性波导相连,每一根柔性波导的微波输出端均连接有一个微波加热器,微波加热器的微波输出端与岩样表面正对。
在所述第二传输波导与刀盘之间设置有随动支撑机构,所述随动支撑机构包括导轨、滑块、支撑杆及滚轮;所述导轨固定安装在刀盘上,所述滑块设置在导轨上,滑块相对于导轨具有直线移动自由度,在滑块与导轨之间设置有复位弹簧;所述滑块与第二传输波导固定连接;所述支撑杆一端固连在滑块上,所述滚轮安装在支撑杆另一端,滚轮与岩样表面滚动接触配合。
本发明的有益效果:
本发明的微波辅助回转破岩的TBM掘进试验台,能够在垂直破岩模拟状态和水平破岩模拟状态之前转换,可开展微波辅助回转破岩条件下的TBM掘进模拟试验以及微波作用下多滚刀破岩试验,为研究不同微波作用参数对TBM破岩效率和刀具寿命的影响作用提供了可行性方案。
附图说明
图1为本发明的微波辅助回转破岩的TBM掘进试验台(处于垂直破岩模拟状态)的结构示意图;
图2为本发明的微波辅助回转破岩的TBM掘进试验台(处于水平破岩模拟状态)的结构示意图;
图3为本发明的微波辅助回转破岩的TBM掘进试验台(刀盘正对视角)的结构示意图;
图4为本发明的微波辅助破岩***的结构示意图;
图5为本发明的随动支撑机构的结构示意图;
图中,1—底座,2—翻转支架,3—活动支架,4—翻转油缸,5—推进油缸,6—刀盘,7—刀盘回转驱动电机,8—岩样承放箱,9—岩样,10—滚刀,11—微波发生器,12—隔离器,13—调配器,14—第一传输波导,15—旋转波导,16—功率分配器,17—柔性波导,18—第二传输波导,19—微波加热器,20—随动支撑机构,21—导轨,22—滑块,23—支撑杆,24—滚轮。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1~5所示,一种微波辅助回转破岩的TBM掘进试验台,包括掘进试验台主体及微波辅助破岩***;所述掘进试验台主体包括底座1、翻转支架2、活动支架3、翻转油缸4、推进油缸5及刀盘6;所述底座1固定设置在地面上,所述翻转支架2铰接在底座1上,翻转支架2可绕铰接轴自由转动;所述翻转油缸4连接在底座1与翻转支架2之间,翻转油缸4的缸筒端铰接在底座1上,翻转油缸4的活塞杆端部铰接在翻转支架2上;所述活动支架3同轴套装在翻转支架2上,活动支架3相对于翻转支架2具有轴向移动自由度;所述推进油缸5连接在翻转支架2与活动支架3之间,推进油缸5的缸筒端铰接在翻转支架2上,推进油缸5的活塞杆端部铰接在活动支架3上;所述刀盘6位于活动支架3内部,刀盘6与活动支架3同轴设置,刀盘6通过轴承与活动支架3相连接,刀盘6相对于活动支架3具有回转自由度;在所述活动支架3内部安装有刀盘回转驱动电机7,刀盘回转驱动电机7的电机轴与刀盘6之间通过齿轮进行动力传递;所述微波辅助破岩***安装在活动支架3和刀盘6之间;在所述刀盘6正对侧的翻转支架2上设置有岩样承放箱8,岩样承放箱8内用于固定安装岩样9,所述刀盘6上的滚刀10与岩样9表面正对。
所述微波辅助破岩***包括微波发生器11、隔离器12、调配器13、第一传输波导14、旋转波导15、功率分配器16、柔性波导17、第二传输波导18及微波加热器19;所述柔性波导17的数量为两根,所述第二传输波导18的数量为两根,所述微波加热器19的数量为两个;所述旋转波导15安装在刀盘6中心处,旋转波导15的微波输出端与微波输入端采用同轴套装结构,旋转波导15的微波输出端相对于微波输入端具有回转自由度,旋转波导15的微波输出端与刀盘6固定连接;所述微波发生器11固定安装在活动支架3上,微波发生器11的微波输出端与旋转波导15的微波输入端依次通过隔离器12、调配器13及第一传输波导14相连;所述隔离器12用于吸收未被岩样9吸收而反射回的微波能量;所述调配器13用于对阻抗进行自动匹配调节,使微波发生器11产生的微波能量被岩样9充分吸收;所述功率分配器16的微波输入端与旋转波导15的微波输出端相连,功率分配器16的微波输出端分两路进行输出,每一路均与一根柔性波导17相连,每一根柔性波导17的微波输出端均连接有一个微波加热器19,微波加热器19的微波输出端与岩样9表面正对。
在所述第二传输波导18与刀盘6之间设置有随动支撑机构20,所述随动支撑机构20包括导轨21、滑块22、支撑杆23及滚轮24;所述导轨21固定安装在刀盘6上,所述滑块22设置在导轨21上,滑块22相对于导轨21具有直线移动自由度,在滑块22与导轨21之间设置有复位弹簧;所述滑块22与第二传输波导18固定连接;所述支撑杆23一端固连在滑块22上,所述滚轮24安装在支撑杆23另一端,滚轮24与岩样9表面滚动接触配合。
通过本发明的微波辅助回转破岩的TBM掘进试验台,可以实现以下研究内容:①、设置不同的滚刀间距,用以研究不同滚刀间距下微波照射对TBM滚刀破岩效果的影响;②、设置不同的微波加热器位置,可以将微波加热器位置在滚刀的切削轨迹上,也可以将微波加热器位置在两条滚刀切削轨迹中间,用以研究微波加热器因不同位置对TBM滚刀破岩效果的影响;③、设置不同的微波照射参数和相同的切削力,用以研究微波照射对TBM滚刀切削深度的影响;④、设置不同的微波照射参数和相同的滚刀切削深度,用以研究微波照射对TBM滚刀切削力的影响;⑤、设置不同的微波照射参数,用以研究微波照射参数对TBM扭矩、刀具寿命、掘进效率的影响。
在实际应用本发明时,微波加热器19优选介质填充喇叭天线或点聚焦阵列天线,根据试验需求,滚刀10可以替换为其他类型的切削刀具,例如刮刀、边刀等。由于微波能会干扰其它信号传输,本发明的试验台内所有的传输线缆均利用紫铜屏蔽套进行微波屏蔽。为了避免微波辐射对实验人员造成伤害,需要将试验台整体放置于电磁屏蔽室内,以在人机分离状态下进行试验,同时通过安装监控***对试验过程进行观察。
具体的,首先以试验台处于垂直破岩模拟状态为例进行说明,先将准备好的岩样9固定安装到岩样承放箱8内,然后控制推进油缸5的活塞杆回缩,进而控制活动支架3下移,直到随动支撑机构20内的滚轮24与下方的岩样9表面顶靠在一起,同时使滚刀10切入岩样9表面,滚轮24在与岩样9表面顶靠接触后,随着活动支架3的下移,由于滚轮24、支撑杆23、滑块22及第二传输波导18被岩样9阻挡而不再移动,因此会导致柔性波导17发生弯曲而保证活动支架3的下移不受干扰。当滚刀10切入岩样9表面的深度达到设定值后,启动刀盘回转驱动电机7,以带动刀盘6旋转,同时启动微波发生器11,进而由微波加热器19对岩样9进行加热致裂,随着刀盘6的旋转,经过加热致裂后的岩样9再通过滚刀10进行切削破碎。
同理,当试验台需要在水平破岩模拟状态进行试验时,则需要进行状态转换,具体需要控制翻转油缸4的活塞杆伸出,进而带动翻转支架2绕铰接轴转动,直到翻转支架2由竖直状态变为水平状态,之后将翻转支架2进行固定,后续动作执行过程与垂直破岩模拟状态相同。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围,凡未脱离本发明所为的等效实施或变更,均包含于本案的专利范围中。

Claims (2)

1.一种微波辅助回转破岩的TBM掘进试验台,其特征在于:包括掘进试验台主体及微波辅助破岩***;所述掘进试验台主体包括底座、翻转支架、活动支架、翻转油缸、推进油缸及刀盘;所述底座固定设置在地面上,所述翻转支架铰接在底座上,翻转支架可绕铰接轴自由转动;所述翻转油缸连接在底座与翻转支架之间,翻转油缸的缸筒端铰接在底座上,翻转油缸的活塞杆端部铰接在翻转支架上;所述活动支架同轴套装在翻转支架上,活动支架相对于翻转支架具有轴向移动自由度;所述推进油缸连接在翻转支架与活动支架之间,推进油缸的缸筒端铰接在翻转支架上,推进油缸的活塞杆端部铰接在活动支架上;所述刀盘位于活动支架内部,刀盘与活动支架同轴设置,刀盘通过轴承与活动支架相连接,刀盘相对于活动支架具有回转自由度;在所述活动支架内部安装有刀盘回转驱动电机,刀盘回转驱动电机的电机轴与刀盘之间通过齿轮进行动力传递;所述微波辅助破岩***安装在活动支架和刀盘之间;在所述刀盘正对侧的翻转支架上设置有岩样承放箱,岩样承放箱内用于固定安装岩样,所述刀盘上的滚刀与岩样表面正对;所述微波辅助破岩***包括微波发生器、隔离器、调配器、第一传输波导、旋转波导、功率分配器、柔性波导、第二传输波导及微波加热器;所述柔性波导的数量为两根,所述第二传输波导的数量为两根,所述微波加热器的数量为两个;所述旋转波导安装在刀盘中心处,旋转波导的微波输出端与微波输入端采用同轴套装结构,旋转波导的微波输出端相对于微波输入端具有回转自由度,旋转波导的微波输出端与刀盘固定连接;所述微波发生器固定安装在活动支架上,微波发生器的微波输出端与旋转波导的微波输入端依次通过隔离器、调配器及第一传输波导相连;所述隔离器用于吸收未被岩样吸收而反射回的微波能量;所述调配器用于对阻抗进行自动匹配调节,使微波发生器产生的微波能量被岩样充分吸收;所述功率分配器的微波输入端与旋转波导的微波输出端相连,功率分配器的微波输出端分两路进行输出,每一路均与一根柔性波导相连,每一根柔性波导的微波输出端均连接有一个微波加热器,微波加热器的微波输出端与岩样表面正对。
2.根据权利要求1所述的一种微波辅助回转破岩的TBM掘进试验台,其特征在于:在所述第二传输波导与刀盘之间设置有随动支撑机构,所述随动支撑机构包括导轨、滑块、支撑杆及滚轮;所述导轨固定安装在刀盘上,所述滑块设置在导轨上,滑块相对于导轨具有直线移动自由度,在滑块与导轨之间设置有复位弹簧;所述滑块与第二传输波导固定连接;所述支撑杆一端固连在滑块上,所述滚轮安装在支撑杆另一端,滚轮与岩样表面滚动接触配合。
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