Tbm掘進地質環境模擬裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種TBM掘進地質環境模擬裝置。前、后護套相固接同軸放置在地支撐上，姿態部件安裝在前護套的外殼面上，姿態板的圓弧面與樣機護盾上的球鉸相切，姿態油缸兩端鉸接于姿態板和姿態塊，護盾下方經重力安裝法蘭、軸承、稱重傳感器連接到水平重力滑軌進行支撐導向，負載模擬泵由中心罩法蘭安裝在增速器輸出端，增速器輸入端經聯軸器與樣機刀盤連接，增速器安裝架可沿前護套導軌滑動。通過構建閉環的掘進環境，真實模擬了TBM掘進時巖石的扭矩負載和約束作用。利用液壓系統作為負載模擬，通過改變壓力、流量設定，重復模擬TBM實際掘進時的不同地質條件；推進油缸和推力負載油缸同向安裝，相對于油缸對頂布置，有效節約了空間。
【專利說明】TBM掘進地質環境模擬裝置

【技術領域】
[0001]本發明涉及模擬裝置，尤其是涉及一種TBM掘進地質環境模擬裝置。

【背景技術】
[0002]全斷面隧道掘進機(Tunnel Boring Machine),簡稱TBM,是集機械、電氣、液壓、測量、控制等多學科技術于一體的大型隧洞開挖襯砌成套裝備。TBM集隧道施工的開挖、出碴、初期支護、通風除塵、敷設隧道軌線以及風水電延伸于一體，具有快速、優質、安全等優點，是目前國際上最先進的長大隧道施工方式。
[0003]TBM結構龐大，系統復雜，成本高昂。由于不同地質條件對刀具的型號、材質以及驅動系統和配套系統的要求不同，單一機型TBM僅適用于少數幾種固定的地質條件，施工之前承包商和制造商要花費大量時間針對具體地質環境做出相關的選擇。因而盡早明確TBM關鍵參數和不同地質環境的匹配關系對于TBM施工的發展格外重要。然而隧道施工環境制約了施工數據采集的準確度，現有的理論計算無法兼顧復雜的施工環境，因此開展物理模擬試驗是TBM設計和關鍵技術進步的主要可行方案。
[0004]TBM掘進法的特殊性在于，掘進機和掘進對象之間有著復雜的相互作用關系。TBM刀盤系統起著破巖功能，而撐靴系統需要將撐靴撐緊在圍巖上提供推進反力并支撐主梁，刀盤四周的圍巖還起著支撐刀盤和約束刀盤姿態的作用。因此，開展TBM研究必須考慮施工環境的影響。
[0005]由于TBM掘進環境的特殊性，為了模擬不同的地質環境，常規的模擬裝置往往采用更換石材的方法。這種方式雖然在數據的精確度上有一定優勢，但每次石材的更換都需要對應的更換刀具，刀具和石材的損耗成本較大；而且現有的模擬裝置大多僅能模擬TBM刀盤系統與巖石的相互作用，無法兼顧整機的撐緊、推進、換步、調姿系統，更無法模擬隧道圍巖對TBM的調姿約束作用。
[0006]經過對現有技術的文獻檢索發現，目前還沒有一種適用于TBM掘進地質環境模擬的裝置。


【發明內容】

[0007]本發明的目的在于提出一種TBM掘進地質環境模擬裝置，整個裝置由前后護套連接組成，前護套通過上、左、右三個方向上的姿態部件對護盾實現柔性約束，護盾下方經可實現一定角度偏轉的推力關節軸承和稱重傳感器連接到水平重力導軌副，保證刀盤可軸向掘進和各方向上調姿。負載模擬泵和推力負載油缸的組合模擬掘進負載，撐靴撐緊在可替換材質的撐靴墊材，通過替換墊材和改變負載泵、推力負載油缸、姿態部件的液壓系統壓力設定，模擬TBM掘進時遇到的各種不同地質條件。
[0008]本發明采用的技術方案是:
本發明包括負載模擬泵、中心罩、增速器部件、萬向聯軸器、前護套、結構相同的三個姿態部件、重力支撐水平滑軌部件、連接板、后護套、后護套蓋板、撐靴墊材和地支撐；前護套和后護套軸向由連接板固接后，同軸放置在地支撐上，每個姿態部件:均包括兩個姿態塊，姿態板和兩個姿態油缸；兩個姿態油缸的缸筒分別與各自的姿態塊底部鉸接，兩個姿態油缸的活塞桿分別與姿態板上端面的兩端鉸接；三個姿態部件各自的兩個姿態塊分別安裝在前護套上、左和右三個方向的前護套外殼上，三塊姿態板的下端圓弧面與樣機護盾上的球鉸相切，每個姿態油缸穿過前護套上對應的通孔，樣機護盾下方經重力安裝法蘭、推力關節軸承、稱重傳感器連接到水平重力滑軌；重力支撐水平滑軌部件:包括重力安裝法蘭、推力關節軸承、稱重傳感器和水平重力滑軌；水平重力滑軌安裝在前護套中心的地面上；增速器部件:包括增速器安裝架和同軸安裝在其上的增速器；兩個前護套導軌分別對稱安裝在遠離后護套的前護套外側，增速器安裝架下面兩側角座與兩個前護套導軌構成滑動副，負載模擬泵通過中心罩法蘭安裝在增速器輸出端，增速器輸入端經萬向聯軸器與樣機刀盤連接，后護套上對稱的裝有四個連接推力負載油缸的耳環，四個推力負載油缸活塞桿、缸筒分別鉸接于樣機護盾和后護套耳環之間，與樣機四個推進油缸同向安裝，樣機撐靴水平撐緊在撐靴墊材與樣機撐靴等直徑的圓形內表面，撐靴墊材固接在后護套的平面內壁上，樣機尾靴向下落在后護套下方弧形內壁，弧形的后護套蓋板裝在后護套上。
[0009]所述六個姿態油缸，四個推進油缸，四個推力負載油缸均配套有壓力表和位移傳感器，負載模擬泵配有壓力表和扭矩傳感器，扭矩傳感器以法蘭形式安裝在中心罩內。
[0010]所述后護套上安裝的撐靴墊材為混凝土、石灰巖或花崗巖。
[0011]本發明具有的有益效果是:
本發明利用連接板連接前后護套，并在前護套上安裝前護套導軌，與增速器部件構成水平滑動導軌副，將推力負載油缸鉸接與護盾與后護套之間，以及撐靴撐緊在與后護套固接的撐靴墊材上，構建出一套閉環的TBM掘進地質環境模擬裝置，提供TBM掘進時的推力和扭矩負載。同時TBM掘進時的驅動扭矩反扭矩經樣機傳遞到后護套上，負載模擬反扭矩經前護套上導軌經連接板傳遞到后護套，實現自閉環反扭矩抵消；TBM掘進時的推進力反力經樣機傳遞到后護套，推力負載反力經推力負載油缸與后護套連接，實現自閉環推力反力抵消；姿態油缸成對分布(豎直方向上有稱重傳感器)，實現自閉環約束力和約束反力抵消；重力支撐塊和重力水平導軌僅作為重力支撐。通過構建閉環的掘進環境，真實模擬了實際TBM掘進時巖石的負載和約束作用。利用液壓系統作為負載模擬，通過改變壓力、流量設定，可以低成本重復模擬TBM實際掘進時的不同地質條件；推進油缸和推力負載油缸同向安裝，相對于油缸對頂布置的方式，有效節約了空間。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發明的地質環境模擬裝置視圖。
[0013]圖2是本發明中的TBM樣機視圖。
[0014]圖3是本發明中重力支撐水平導軌結構視圖。
[0015]圖4是本發明中姿態部件視圖重力支撐水平導軌結構視圖。
[0016]圖5是本發明中地質環境模擬裝置和TBM樣機裝配等軸向視圖。
[0017]圖6是與本發明中地質環境模擬裝置和TBM樣機裝配左視圖
圖中:1、負載模擬泵，2、中心罩，3、增速器部件，4、萬向聯軸器，5、前護套，6、姿態部件，7、重力支撐水平滑軌部件，8、連接板，9、后護套，10、后護套蓋板，11、撐靴墊材，12、地支撐，13、樣機刀盤，14、樣機護盾，15、推進油缸，16、樣機撐靴，17、樣機尾靴，18、推力負載油缸，91、推力負載油缸安裝耳環，31、增速器安裝架，32、增速器，51、前護套導軌，61、姿態塊，62、姿態油缸，63、姿態板，71、水平重力滑軌，72、固定銷，73、重力安裝法蘭，74、推力關節軸承，75、稱重傳感器，141、護盾球鉸。

【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的說明。
[0019]如圖1?圖6所示，本發明包括負載模擬泵1、中心罩2、增速器部件3、萬向聯軸器
4、前護套5、結構相同的三個姿態部件\6、重力支撐水平滑軌部件7、連接板8、后護套9、后護套蓋板10、撐靴墊材11和地支撐12 ;前護套5和后護套9軸向由連接板8固接后，同軸放置在地支撐12上。如圖3、圖4所示，每個姿態部件6:均包括兩個姿態塊61，姿態板63和兩個姿態油缸62 ;兩個姿態油缸62的缸筒分別與各自的姿態塊61底部鉸接，兩個姿態油缸\62的活塞桿分別與姿態板63上端面的兩端鉸接；三個姿態部件6各自的兩個姿態塊61分別安裝在前護套5上、左和右三個方向的前護套5外殼上，三塊姿態板63的下端圓弧面與樣機護盾14上的球鉸141相切，每個姿態油缸62穿過前護套5上對應的通孔，樣機護盾14下方經重力安裝法蘭73、推力關節軸承74、稱重傳感器75連接到水平重力滑軌71 ；重力支撐水平滑軌部件7:包括重力安裝法蘭73、推力關節軸承74、稱重傳感器75和水平重力滑軌71 ;水平重力滑軌71安裝在前護套5中心的地面上。如圖1、圖2、圖6所示，增速器部件3:包括增速器安裝架31和同軸安裝在其上的增速器32 ;兩個前護套導軌51分別對稱安裝在遠離后護套9的前護套5外側，增速器安裝架31下面兩側角座與兩個前護套導軌51構成滑動副，負載模擬泵I通過中心罩2法蘭安裝在增速器32輸出端，增速器32輸入端經萬向聯軸器4與樣機刀盤13連接，后護套9上對稱的裝有四個連接推力負載油缸14的耳環91，四個推力負載油缸14活塞桿、缸筒分別鉸接于樣機護盾14和后護套耳環91之間，與樣機四個推進油缸15同向安裝，樣機撐靴16水平撐緊在撐靴墊材11與樣機撐靴16等直徑的圓形內表面，撐靴墊材11固接在后護套9的平面內壁上，樣機尾靴17向下落在后護套9下方弧形內壁，弧形的后護套蓋板10裝在后護套9上。
[0020]所述六個姿態油缸，四個推進油缸，四個推力負載油缸均配套有壓力表和位移傳感器，負載模擬泵I配有壓力表和扭矩傳感器，扭矩傳感器以法蘭形式安裝在中心罩2內。
[0021]所述后護套9上安裝的撐靴墊材11為混凝土、石灰巖或花崗巖。
[0022]本發明的工作原理如下:
將各個部件按照圖1?圖4的關系連接為圖5和圖6所示的形式，當實驗臺不工作時，樣機撐靴16不撐緊，樣機尾靴17支撐在后護套9內弧面上，配合重力支撐水平滑軌部件7支撐樣機重量，負載模擬泵I及姿態油缸62均不工作；工作時樣機撐靴16撐緊在撐靴墊材11上提供支撐，樣機尾靴17提起，樣機開始工作，此時樣機沿水平重力滑軌71向前掘進，通過萬向聯軸器4帶動增速器部件3、中心罩2和負載模擬泵I沿前護套導軌51軸向滑動，樣機刀盤13經萬向聯軸器4聯動并經過增速器32增速后帶動負載模擬泵I旋轉，負載模擬泵I高壓腔溢流產生反扭矩提供扭矩負載，樣機推進油缸15的推進力經樣機護盾14作用于推力負載油缸18小腔，推力負載油缸18小腔受壓溢流提供推力負載。姿態油缸62大腔加壓對護盾14進行徑向約束，當樣機姿態調整時，對應位置上的姿態油缸62大腔溢流，活塞桿回縮，為樣機的調姿提供空間。同時樣機驅動扭矩反扭矩和負載扭矩反扭矩、推進反力和推力負載反力傳遞到前護套5、后護套9組成的閉環結構上抵消，左、右姿態部件徑向約束力和約束力反力分別經樣機護盾14和前護套5抵消，上姿態部件徑向約束力和約束力反力分別與稱重傳感器73和前護套5抵消，模擬真實隧道受力環境。調節負載模擬泵1、姿態油缸62、推力負載油缸18的溢流壓力設定，可以重復模擬TBM不同掘進地質環境。樣機完成兩個推進換步行程之后刀盤13停轉，負載泵1、姿態油缸62、推力負載油缸18卸荷，推進油缸15回拉樣機，樣機退回到原位置，此時樣機撐靴16不再撐緊，樣機尾靴17落下作重力支撐，為下一次實驗做準備。
【權利要求】
1.一種TBM掘進地質環境模擬裝置，其特征在于:包括負載模擬泵(I)、中心罩(2)、增速器部件(3)、萬向聯軸器(4)、前護套(5)、結構相同的三個姿態部件(6)、重力支撐水平滑軌部件(7)、連接板(8)、后護套(9)、后護套蓋板(10)、撐靴墊材(11)和地支撐(12);前護套(5)和后護套(9)軸向由連接板(8)固接后，同軸放置在地支撐(12)上，每個姿態部件(6):均包括兩個姿態塊(61)，姿態板(63)和兩個姿態油缸(62);兩個姿態油缸(62)的缸筒分別與各自的姿態塊(61)底部鉸接，兩個姿態油缸(62 )的活塞桿分別與姿態板(63 )上端面的兩端鉸接；三個姿態部件(6)各自的兩個姿態塊(61)分別安裝在前護套(5)上、左和右三個方向的前護套(5 )外殼上，三塊姿態板(63 )的下端圓弧面與樣機護盾(14)上的球鉸(141)相切，每個姿態油缸(62)穿過前護套(5)上對應的通孔，樣機護盾(14)下方經重力安裝法蘭(73)、推力關節軸承(74)、稱重傳感器(75)連接到水平重力滑軌(71);重力支撐水平滑軌部件(7):包括重力安裝法蘭(73)、推力關節軸承(74)、稱重傳感器(75)和水平重力滑軌(71);水平重力滑軌(71)安裝在前護套(5)中心的地面上；增速器部件(3):包括增速器安裝架(31)和同軸安裝在其上的增速器(32);兩個前護套導軌(51)分別對稱安裝在遠離后護套(9)的前護套(5)外側，增速器安裝架(31)下面兩側角座與兩個前護套導軌(51)構成滑動副，負載模擬泵(I)通過中心罩(2)法蘭安裝在增速器(32)輸出端，增速器(32)輸入端經萬向聯軸器(4)與樣機刀盤(13)連接，后護套(9)上對稱的裝有四個連接推力負載油缸(14)的耳環(91)，四個推力負載油缸(14)活塞桿、缸筒分別鉸接于樣機護盾(14)和后護套耳環(91)之間，與樣機四個推進油缸(15)同向安裝，樣機撐靴(16)水平撐緊在撐靴墊材(11)與樣機撐靴(16)等直徑的圓形內表面，撐靴墊材(11)固接在后護套(9)的平面內壁上，樣機尾靴(17)向下落在后護套(9)下方弧形內壁，弧形的后護套蓋板(10)裝在后護套(9)上。
2.根據權利要求1所述的一種TBM掘進地質環境模擬裝置，其特征在于:所述六個姿態油缸，四個推進油缸，四個推力負載油缸均配套有壓力表和位移傳感器，負載模擬泵(I)配有壓力表和扭矩傳感器，扭矩傳感器以法蘭形式安裝在中心罩(2)內。
3.根據權利要求1所述的一種TBM掘進地質環境模擬裝置，其特征在于:所述后護套(9)上安裝的撐靴墊材(11)為混凝土、石灰巖或花崗巖。
【文檔編號】E21D9/06GK104165058SQ201410368414
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月30日 優先權日:2014年7月30日
【發明者】龔國芳, 劉統, 王偉, 張振, 饒云意, 吳偉強, 楊華勇 申請人:浙江大學