一种模拟试验智能盾构机驱动装置

本发明涉及盾构开挖技术领域，具体涉及一种模拟实验智能盾构机驱动装置。

背景技术：

盾构开挖室内模拟试验是研究地表沉降、衬砌管片应力变化、土压力变化等方向的必要试验，从而为预报和控制灾害提供依据的成套设备和技术。盾构施工都是在地下、河底等恶劣环境中，由于自然条件的限制在现场并不能直观的看到施工过程中的一些微观变化和灾害的产生。通过模拟试验可以把现实施工拿到室内来，从而进一步认识盾构施工过程中灾害机理，对于寻求有效的技术控制途径是非常有益的。

相似材料模拟试验方法的实质是：用与原型力学性质相似的材料按照几何相似的一定比例缩制成试验模型。在模型上开挖成各类工程，试验观察和研究工程地表沉降、衬砌管片应力变化、土压力变化等，以及作用于支护结构上的力。在实际工程中，对盾构机推力即刀盘和掌子面之间的压力以及刀盘转速的要求是很严格的，在硬岩开挖时就要低速前进高速旋转以防止刀盘的损害，保证岩石的破碎程度。在软岩开挖时就要快速前进低速旋转来保持刀盘和掌子面之间的压力，防止掌子面因压力不够而坍塌造成超挖和隧道坍塌。基于上述情况，迫切需要一种模拟试验盾构机推进驱动装置，通过这种切土、前进一体的装置，成功解决了上述问题，让相似模拟试验成功率更高，更加精准，与施工现场更加符合。

技术实现要素：

本发明提供一种切土、前进一体的一种模拟试验智能盾构机驱动装置，可以成功解决相似模拟试验中前进速度和刀盘转速控制不当的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种模拟试验盾构机推进驱动装置，包括电机、刀盘、圆管衬砌、电机托盘、支撑架、带螺纹长螺杆、传力杆、数字控制箱和差速齿轮装置；所述差速齿轮装置包括通过所述电机转子连接不同齿数的齿轮和行走轨道，使的所述电机转动的同时带动所述齿轮转动从而提供给整个装置一个推力，调节不同所述齿轮的咬合齿数来控制推力的大小，既可以在所述刀盘转速不变的情况下减小推力又可以在推力不变的情况下改变所述刀盘转速；所述行走轨道就是所述齿轮转动带动驱动装置往前推进的所述带螺纹长螺杆；所述圆管衬砌就是利用一定刚性的波纹管模拟的隧道衬砌，所述圆管衬砌管头有所述刀盘，通过内部所述传力杆和所述电机连接从而达到边开挖边支护。

在一些实施方式中，将所述装置安装在与模拟地质土的模型箱的开挖位置相同高度的制作上，使得所述刀盘、所述圆管衬砌、所述驱动装置行走方向和开挖位置在同一水平线。

在一些实施方式中，转动所述电机使得装置在所述行走轨道上行走一段距离，让所述刀盘和开挖面有一定的压力。

在一些实施方式中，根据工程地质资料和所述刀盘内部的土压力盒传出的数据来控制所述刀盘转速和前进速度，当盾构机穿越硬质地层，就需要提高所述刀盘的转速，减小推进速度来实现更好的切土，通过电动按钮控制所述电机尾部的所述齿轮的咬合齿数来控制前进速度。当盾构机穿越软弱岩层时就要适当减小所述刀盘转速，增快推进速度来保持掌子面的稳定，避免掌子面坍塌和超挖。

本发明具有以下技术效果：

本装置中推进装置和刀盘转动装置形成一个整体。通过盾构通过的地质条件和土仓内的土压力盒显示的压力大小双重控制刀盘速度和前进速度，减少不可预见事故发生，确保试验的成功率和试验数据的准确性，使的整个开挖过程稳定前行。使用本装置成功的解决了因模拟试验人为推进力度控制不好和机械推进不稳定的问题，大大降低了试验整体失败的几率和人力物力上的浪费。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明中推进系统的行走轨道示意图；

图3是本发明的数字控制系统；

图4是本发明的圆管衬砌内部传力杆示意图

图中：1-差速齿轮装置、2-电机、3-带螺纹长螺杆、4-电机托盘、5-半球型钢管、6-驱动支架、7-圆管衬砌、8-旋转刀盘、9-数字控制系统、10-调节按钮、11-传力杆。

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

具体实施方式

如图1-图4所示，本发明的一种模拟试验盾构机推进驱动装置，包括齿轮差速装置1、电机2、带螺纹长螺杆3、电机托盘4、半球型钢管5、支撑架6、圆管衬砌7、刀盘8、数字控制系统9、调节按钮10、传力杆11。所述齿轮差速装置包括不同齿数的齿轮和与所述带螺纹长螺杆3贴合的套管，所述电机2转动带动齿轮差速装置1提供前进的动力，从而模拟一种盾构机的推力。

所述圆管衬砌7管头有所述旋转刀盘8，通过内部传力杆11和所述电机2连接从而达到边开挖边支护。启动所述电机使得装置在长螺纹螺杆3行走一段距离，让所述刀盘8和开挖面有一定的压力，根据工程地质资料和刀盘8内部的土压力盒传来的电信号通过所述数字控制系统9处理将信息传到显示屏，通过调节所述数字控制系统9上的所述调节按钮10来控制所述电机2尾部的所述齿轮差速装置1的咬合齿数从而控制盾构机刀盘8旋转速度和推力。当盾构机穿越硬质地层，就需要提高所述刀盘8的转速，减小推进速度来实现更好的切土。当盾构机穿越软弱岩层时就要适当减小所述刀盘8转速，增大推力来保持掌子面的稳定，避免掌子面坍塌和超挖。所述刀盘8切削下来的土经过所述圆管衬砌7内传送装置送出管外，实现持续切土的过程。

所述电机托盘4安装在所述半球型钢管5上使整个装置行走平稳并且给所述电机2一个支撑，保证盾构机前进过程中保持稳定。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种模拟试验智能盾构机驱动装置，其特征在于，包括置差速齿轮装置(1)，电机(2)，螺纹长螺杆(3)、电机托盘(4)、支撑架(6)、圆管衬砌(7)和数字控制箱(9)；所述差速齿轮装置(1)包括不同齿数的齿轮，所述齿轮与所述电机(2)转子连接并通过所述电机托盘(4)一起安装在所述带螺纹长螺杆(3)上；所述带螺纹长螺杆(3)和半球型钢管(5)焊接到支架(6)内部与所述差速齿轮装置(1)内部的所述齿轮连接；所述数字控制箱包括数字显示屏和调节按钮(10),连接土仓内土压力盒、电机(2)和差速齿轮装置(1)。

2.根据权利要求1所述的一种模拟试验盾构机推进驱动装置，其特征在于，所述电机(2)和推进系统是一体形成。

3.根据权利要求2所述的一种模拟试验盾构机推进驱动装置，其特征在于，所述差速齿轮装置(1)和所述带螺纹长螺杆(3)是紧紧贴合的，所述带螺纹螺杆(3)插入所述电机(2)和所述差速齿轮装置(1)内部。

4.根据权利要求1所述的一种模拟试验盾构机推进驱动装置，其特征在于，所述圆管衬砌(7)内部设有传力杆(11)，管头设有旋转刀盘(8)通过所述传力杆(11)与所述电机(2)转子连接。

技术总结
本发明提供了一种模拟试验智能盾构机驱动装置，包括电机、刀盘、圆管衬砌、电机托盘、支撑架、带螺纹长螺杆、数字控制箱和差速齿轮装置；所述差速齿轮装置安装在所述电机尾部；所述差速齿轮装置和所述电机咬合在所述行走轨道上；所述圆管衬砌连接在所述电机头部；所述刀盘通过一根传力杆连接在所述电机的转子上。利用本发明在试验时可以根据数字控制系统的显示屏显示信息，通过调节按钮调节盾构机工作状态，既可以在刀盘转速不变的情况下减小推力又可以在推力不变的情况下改变刀盘转速。使用本装置成功解决了因推力过大损坏刀盘、推力过小掌子面坍塌的问题，确保了试验数据的精准性。

技术研发人员：贾宝新;史怀月;高宗贤;王坤;陈国栋
受保护的技术使用者：辽宁工程技术大学
技术研发日：2021.04.02
技术公布日：2021.07.23