一種tbm實驗臺刀盤柔性約束及姿態測量裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種TBM實驗臺刀盤柔性約束及姿態測量裝置。刀盤外圓柱面由支撐裝置支撐，彎曲主梁的前端與刀盤固接，后端與支撐在后支撐箱內的尾支撐裝置固接，兩對扭矩油缸分別鉸接在撐靴油缸缸筒和鞍架上，撐靴油缸推動一對撐靴水平撐緊在后支撐箱內，相對主梁對稱分布的拉伸油缸兩端分別鉸接在兩個撐靴和彎曲主梁兩側。支撐裝置隨刀盤姿態調整等角偏轉，消除油缸側向力和支撐應力集中，模擬圍巖沉降，直接測量姿態角和姿態調整方向上的軸向位移；安裝在油缸上的位移傳感器和壓力表實時測量姿態調整時各油缸的力和位移；拉伸油缸避免刀盤在垂直方向上作姿態調整的重力過度側滑現象；替換后支撐箱的墊圈材質，可模擬測量不同地質條件下的撐靴力。
【專利說明】一種TBM實驗臺刀盤柔性約束及姿態測量裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及測量約束及姿態的裝置，尤其是涉及一種TBM實驗臺刀盤柔性約束及姿態測量裝置。
【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結構龐大復雜，屬于典型的非標定制產品，其機型、系統設備配置和主要技術參數均需承包商與制造商根據具體的工程設計、地質條件和施工工藝共同研究確定，因而實現適應性的設計方法和技術在TBM的發展中顯得格外重要。由于隧道施工環境的復雜性和現有理論計算的局限性，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在施工過程中，受地質條件、開挖面圍巖作用、工程設計等因素的影響，往往造成TBM實際掘進軸線與理論設計軸線之間出現偏差，需要實時調整TBM刀盤姿態，以保證實際掘進線路與工程設計線路的一致；如何實現刀盤姿態的快速準確調整成為影響施工速度和質量的重要因素，而要實現這一目的必須獲得刀盤姿態調整時準確的姿態力和姿態位移等數據。在TBM實際施工狀態下，受惡劣的施工環境限制，往往無法測得準確的刀盤姿態力和姿態位移，因此，在TBM實驗臺的建造過程中，必須開展TBM刀盤姿態的研究。為了真實地模擬TBM掘進實際工況，必須設計TBM實驗臺刀盤姿態支撐調整測量裝置。該裝置必須能夠承擔刀盤重量，能夠跟隨刀盤一起偏移，同時應當便于測量。
[0005]目前針對TBM姿態調整均采用扭矩油缸作為驅動，液壓系統具有功率密度大，直線驅動能力強，位移控制技術成熟的優勢，因此本實用新型中選用液壓缸作為姿態調整的驅動。
[0006]經過對現有技術的文獻檢索發現，目前還沒有一種專門用于TBM實驗臺的刀盤姿態調整測量和姿態力測量裝置，現有的盾構姿態調整裝置不適用于TBM姿態調整，無法模擬TBM在實際施工中刀盤姿態調整的工作條件并實現姿態角和姿態力的測量。
【發明內容】
[0007]本實用新型的目的在于提出一種TBM實驗臺刀盤柔性約束及姿態測量裝置，刀盤由上下左右四個方向上的四套支撐裝置柔性支撐，并可隨刀盤偏轉等角偏轉，實現刀盤姿態調整和圍巖沉降的直觀顯示和測量，同時模擬刀盤四周圍巖力學特性；通過安裝在各個油缸上的壓力表和位移傳感器，可以測算刀盤姿態位移、姿態力、撐靴力；通過替換支持箱內嵌的材質，可以模擬不同地質條件下撐靴力和姿態力的關系。
[0008]本實用新型采用的技術方案是:
[0009]本實用新型包括前框架、結構相同的四套支撐裝置、刀盤、彎曲主梁、兩個拉伸油缸、鞍架、兩對扭矩油缸、撐靴油缸、十字銷軸、撐靴、后支撐箱、尾支撐裝置，底板；固定在底板上的方形前框架的內壁上下左右四個方向上分別連接一套支撐裝置，刀盤外圓柱面分別由四套支撐裝置中，有一對支撐油缸鉸接支撐的三角支撐架的一面沿四個方向約束在前框架的中心，彎曲主梁的前端與刀盤同軸固接，彎曲主梁的后端與尾支撐裝置上部固接，鞍架與彎曲主梁的后端通過主梁上的導軌滑動連接；鞍架與撐靴油缸的缸筒通過十字銷軸連接，相對彎曲主梁對稱分布的兩對扭矩油缸分別鉸接在撐靴油缸缸筒和鞍架上，撐靴油缸缸筒有兩個互不相通的油腔，分別推動與各自活塞桿固接的撐靴水平的撐緊在后支撐箱內墊圈的水平內壁上，尾支撐裝置的尾靴鉸接在尾支撐油缸活塞桿上，在尾支撐油缸活塞桿推動向下頂緊在后支撐箱內墊圈的下內壁上，相對主梁對稱分布的拉伸油缸的兩端分別鉸接在兩個撐靴和彎曲主梁兩側。
[0010]以上所述的每個油缸均配套有壓力表和位移傳感器。
[0011]所述后支撐箱內壁的墊圈材質為混凝土、石灰巖或花崗巖。
[0012]所述支撐裝置中的兩個支撐油缸兩端分別鉸接在三角支撐架下面及底板上，三角支撐架裝配中心能沿對應的安裝方向運動。
[0013]所述四套支撐裝置中，下方的支撐裝置的各部件在選型上都大于其他三套的型號和尺寸。
[0014]本實用新型具有的有益效果是:
[0015]利用四套支撐裝置實現了對刀盤的柔性約束，通過支撐油缸有效的模擬了圍巖力學特性，三角支撐架結構可隨著刀盤偏轉實現等角度的跟隨偏轉，構消除了支撐油缸側向力，避免了三角支撐架和刀盤接觸面的應力集中，三角支撐架裝配中心沿支撐裝置安裝方向的偏移模擬了四周圍巖的沉降，實現刀盤圍巖條件的模擬，并可以直接測得姿態角和姿態調整方向上的軸向姿態位移；安裝在油缸上的位移傳感器和壓力表實時測量姿態調整時各油缸的力和位移；拉伸油缸避免刀盤在垂直方向上作姿態調整的重力過度側滑現象；通過替換后支撐箱的墊圈材質，從而模擬不同地質條件下撐靴力和姿態力的關系。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是本實用新型的等軸向視圖。
[0017]圖2是本實用新型中去掉前框架、后支撐箱、墊圈、底板的等軸向視圖。
[0018]圖3是實驗臺姿態調整驅動模塊視圖。
[0019]圖4是支撐裝置視圖。
[0020]圖中:1、前框架，2、四套支撐裝置，3、刀盤，4、彎曲主梁，5、兩個拉伸油缸，6、鞍架，7、兩對扭矩油缸，8、撐靴油缸，9、十字銷軸，10、撐靴，11、后支撐箱，12、尾支撐裝置，13、底板，21、支撐油缸，22、三角支撐架，41、導軌，81、撐靴油缸缸筒，82、撐靴油缸活塞桿，91、十字銷軸滑塊，111、墊圈，121、尾靴，122、尾支撐油缸活塞桿。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和實施例對本實用新型做進一步的說明。
[0022]一種TBM實驗臺刀盤柔性約束及姿態測量裝置，如圖1?圖4所示，包括前框架1、結構相同的四套支撐裝置2、刀盤3、彎曲主梁4、兩個拉伸油缸5、鞍架6、兩對扭矩油缸7、撐靴油缸8、十字銷軸9、撐靴10、后支撐箱11、尾支撐裝置12，底板13 ;固定在底板13上的方形前框架I的內壁上下左右四個方向上分別連接一套支撐裝置2，刀盤3外圓柱面分別由四套支撐裝置2中，有一對支撐油缸21鉸接支撐的三角支撐架22的一面沿四個方向約束在前框架I的中心，彎曲主梁4的前端與刀盤3同軸固接，彎曲主梁4的后端與尾支撐裝置12上部固接，鞍架6與彎曲主梁4的后端通過彎曲主梁4上的導軌41滑動連接；鞍架6與撐靴油缸8的缸筒81通過十字銷軸9連接，相對彎曲主梁4對稱分布的兩對扭矩油缸7分別鉸接在撐靴油缸缸筒81和鞍架6上，撐靴油缸缸筒81有兩個互不相通的油腔，分別推動與各自活塞桿82固接的撐靴10水平的撐緊在后支撐箱11內墊圈111的水平內壁上，尾支撐裝置12的尾靴121鉸接在尾支撐油缸活塞桿122上，在尾支撐油缸活塞桿122推動向下頂緊在后支撐箱11內墊圈111的下內壁上，相對主梁4對稱分布的拉伸油缸5的兩端分別鉸接在兩個撐靴10和彎曲主梁4兩側。
[0023]以上所述的每個油缸均配套有壓力表和位移傳感器(未畫出)。
[0024]所述后支撐箱11內壁的墊圈111材質為混凝土、石灰巖或花崗巖，為模擬不同地質條件其材質可進行替換。
[0025]所述支撐裝置2中的兩個支撐油缸21兩端分別鉸接在三角支撐架22下面及底板上，三角支撐架22裝配中心能沿對應的安裝方向運動。
[0026]所述四套支撐裝置2中，下方的支撐裝置的各部件在選型上都大于其他三套的型號和尺寸。
[0027]本實用新型的工作原理如下:
[0028]將各個部件按照圖1?圖2的關系連接，當實驗臺不工作時，尾靴121由尾支撐油缸活塞桿122推動向下頂緊在墊圈111下內壁上；工作時兩個撐靴10在撐靴油缸8的作用下水平對稱的頂緊在墊圈111水平內壁上提供支撐，尾靴121由尾支撐油缸活塞桿122提起。
[0029]俯仰姿態調整以俯向調整為例:如圖1?圖4所示，兩個為一對的四個扭矩油缸7向上加載，由于支撐裝置2的約束，此時撐靴油缸缸筒81繞活塞桿82旋轉，鞍架6沿彎曲主梁4上導軌41滑動、沿鞍架6上所開的槽相對十字銷軸9上的滑塊91平移，帶動彎曲主梁4實現刀盤3俯向姿態調整，沿上、下方向安裝的支撐裝置2中的三角支撐架22裝配中心向下平移，同時三角支撐架22帶動支撐油缸21沿刀盤3偏轉方向等角偏轉，刀盤3沿三角支撐架22 —面平移，支撐油缸21抵消重力和姿態力，兩個拉伸油缸5防止刀盤2沿三角支撐架22 —面向下過度側滑，刀盤3到達指定偏轉角度后，通過測量三角支撐架22的偏轉角度和支撐架裝配中心的移動距離，可以推算出姿態角度和此時向下的姿態位移，通過讀取各油缸壓力表和位移傳感器示數，測算各方向上的姿態位移、姿態力和撐靴力。完成參數讀取后，扭矩油缸7向下加載，將刀盤3恢復到原來位置。
[0030]橫擺姿態調整以沿彎曲主梁4前向向左偏轉為例:如圖1?圖4所示，撐靴油缸缸筒81的兩個油腔加載不同的壓力，兩個固定在撐靴上的活塞桿82相對撐靴油缸缸筒81伸出長度不同，推動撐靴油缸缸筒81向右偏移，帶動十字銷軸9上的滑塊91從而驅動鞍架6向右滑動，由于支撐裝置2的約束作用，彎曲主梁4相對鞍架6滑動，帶動刀盤3向左偏轉，沿左、右方向安裝的支撐裝置2中的三角支撐架22裝配中心向左平移，同時三角支撐架22帶動支撐油缸21沿刀盤3偏轉方向等角偏轉，刀盤3沿三角支撐架22 —面平移，支撐油缸21抵消姿態力，刀盤3到達指定偏轉角度后，通過測量三角支撐架22的偏轉角度和支撐架裝配中心的移動距離，可以推算出姿態角度和此時向左的姿態位移，通過讀取各油缸壓力表和位移傳感器示數，測算各方向上的姿態位移、姿態力和撐靴力。完成參數讀取后，撐靴油缸8反向加載，將刀盤3恢復到原來位置。
【權利要求】
1.一種TBM實驗臺刀盤柔性約束及姿態測量裝置，其特征在于:包括前框架(I)、結構相同的四套支撐裝置(2)、刀盤(3)、彎曲主梁(4)、兩個拉伸油缸(5)、鞍架(6)、兩對扭矩油缸(7)、撐靴油缸(8)、十字銷軸(9)、撐靴(10)、后支撐箱(11)、尾支撐裝置(12)，底板(13);固定在底板(13)上的方形前框架(I)的內壁上下左右四個方向上分別連接一套支撐裝置(2)，刀盤(3)外圓柱面分別由四套支撐裝置(2)中，有一對支撐油缸(21)鉸接支撐的三角支撐架(22)的一面沿四個方向約束在前框架(I)的中心，彎曲主梁(4)的前端與刀盤(3)同軸固接，彎曲主梁(4)的后端與尾支撐裝置(12)上部固接，鞍架(6)與彎曲主梁(4)的后端通過彎曲主梁(4)上的導軌(41)滑動連接；鞍架(6)與撐靴油缸(8)的缸筒(81)通過十字銷軸(9)連接，相對彎曲主梁(4)對稱分布的兩對扭矩油缸(7)分別鉸接在撐靴油缸缸筒(81)和鞍架(6)上，撐靴油缸缸筒(81)有兩個互不相通的油腔，分別推動與各自活塞桿(82)固接的撐靴(10)水平的撐緊在后支撐箱(11)內墊圈(111)的水平內壁上，尾支撐裝置(12)的尾靴(121)鉸接在尾支撐油缸活塞桿(122)上，在尾支撐油缸活塞桿(122)推動向下頂緊在后支撐箱(11)內墊圈(111)的下內壁上，相對主梁(4)對稱分布的拉伸油缸(5)的兩端分別鉸接在兩個撐靴(10)和彎曲主梁(4)兩側。
2.根據權利要求1所述的一種TBM實驗臺刀盤柔性約束及姿態測量裝置，其特征在于:以上所述的每個油缸均配套有壓力表和位移傳感器。
3.根據權利要求1所述的一種TBM實驗臺刀盤柔性約束及姿態測量裝置，其特征在于:所述后支撐箱(11)內壁的墊圈(111)材質為混凝土、石灰巖或花崗巖。
4.根據權利要求1所述的一種TBM實驗臺刀盤柔性約束及姿態測量裝置，其特征在于:所述支撐裝置(2 )中的兩個支撐油缸(21)兩端分別鉸接在三角支撐架(22 )下面及底板上，三角支撐架(22)裝配中心能沿對應的安裝方向運動。
5.根據權利要求1所述的一種TBM實驗臺刀盤柔性約束及姿態測量裝置，其特征在于:所述四套支撐裝置(2)中，下方的支撐裝置的各部件在選型上都大于其他三套的型號和尺寸。
【文檔編號】E21D9/11GK203856476SQ201420120420
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年3月18日 優先權日:2014年3月18日
【發明者】龔國芳, 劉統, 張千里, 吳偉強, 張振, 饒云意, 楊華勇 申請人:浙江大學