TBM刀盘卡机时破碎岩体反扭矩模拟试验装置的制作方法

本实用新型涉及一种试验装置，尤其涉及一种可用于测量TBM刀盘卡机时破碎岩体反扭矩模拟试验装置及方法。

背景技术：

TBM（Tunnel Boring Machine），全称为：全断面隧道掘进机，其可实现掘进、支护、出渣等施工工序的并行连续作业，因此近年来已被广泛应用。但是由于TBM自身设备特点，其不如传统钻爆法施工灵活，在破碎岩体洞段内容易发生因破碎岩体对刀盘的包裹挤压作用而造成刀盘卡机的问题。刀盘卡机往往是因为刀盘周围破碎后的松散岩体碎块对刀盘的包裹挤压造成的反扭矩过大，而当该反扭矩大于设备自身所能提供的最大脱困扭矩时，将导致刀盘无法转动，进而造成刀盘部位的卡机。

现目前，TBM施工技术在国内外应用和研究程度还较低，针对刀盘卡机时周围破碎岩体对刀盘的反扭矩还没有一种专门的试验装置可以进行试验测定。因此在出现卡机时，破碎岩体可能对刀盘产生的反扭矩大小无法通过试验获得；现目前通常采取的方式是在工程设计和施工中采用岩体的内摩擦系数等参数进行推断和估算。而上述估算方式获得的数据，是利用岩体的相关参数间接的推断和估算刀盘所承受的反扭矩，其估算的结果受估算采用岩体的相关参数与反扭矩之间的关联性影响较大，同时受估算采用的本构方程的可靠性影响也比较大，因此其估算结果往往与实际差距较大。

技术实现要素：

本实用新型解决的技术问题是提供一种可以直接测定外部破碎岩体在TBM刀盘卡机时施加在刀盘上的反扭矩的试验装置及方法。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：TBM刀盘卡机时破碎岩体反扭矩模拟试验装置，包括安装座，在安装座上安装有驱动机构、扭矩测量仪、拟刀盘和搅拌锅，驱动机构的输出轴与扭矩测量仪的一端传动连接，扭矩测量仪的另一端与一传动轴传动连接，并且所述传动轴与拟刀盘的安装转轴传动连接，以通过驱动机构驱动拟刀盘转动；所述搅拌锅具有内凹的容纳腔，所述容纳腔的上端为开口侧，所述拟刀盘可水平转动的设置在容纳腔内，并且拟刀盘上的安装转轴从容纳腔的上端开口侧向上延伸。

进一步的是：所述传动轴以及驱动机构的输出轴均为竖向设置，并且传动轴、驱动机构的输出轴和安装转轴同轴设置。

进一步的是：所述传动轴以及驱动机构的输出轴均为水平设置，所述传动轴与安装转轴通过转向传动机构传动连接。

进一步的是：所述转向传动机构为涡轮蜗杆机构。

进一步的是：还包括轴向加压机构，所述轴向加压机构可向安装转轴施加轴向的压力。

进一步的是：所述安装转轴可在竖向方向上移动一定的位移量，所述轴向加压机构为固定的设置在安装转轴顶端的砝码托盘。

进一步的是：在所述容纳腔内填充有破碎岩体。

进一步的是：还包括法向加压机构；所述搅拌锅的锅壁包括内壁和外壁，并且在内壁和外壁之间形成密封的液压腔；所述法向加压机构为液压泵，并且所述液压泵的液体输出端通过管路与所述液压腔连通。

进一步的是：还包括盖体，所述盖体可扣紧的盖在所述容纳腔上端的开口侧上，所述安装转轴穿过所述盖体。

另外，本实用新型还提供一种TBM刀盘卡机时破碎岩体反扭矩的试验方法，其采用上述本实用新型所述的TBM刀盘卡机时破碎岩体反扭矩的试验装置，包括如下步骤：

步骤一：将试验所需的破碎岩体样品放入搅拌锅内，同时放置拟刀盘，并进行相应的传动连接，之后盖上盖体；

步骤二：启动轴向加压机构，通过轴向加压机构向拟刀盘施加轴向压力；

步骤三：启动法向加压机构，通过法向加压机构向搅拌锅内的破碎岩体施加法向压力；

步骤四：启动驱动机构，以带动拟刀盘进行搅拌，直至搅拌启动并在速度平稳后保持3～5分钟；

步骤五：试验过程中记录各时刻扭矩测量仪的扭矩实测值；

步骤六：绘制时间和扭矩实测值曲线，取曲线拐点最大值为卡机启动时候的启动反扭矩，取曲线拐点后部近水平直线段的切线斜距作为转动后的转动反扭矩。

本实用新型的有益效果是：通过本实用新型所述的试验装置，可直接测得破碎岩体在刀盘卡机时施加在拟刀盘上的实际反扭矩大小，而通过将试验获得的数据再按照一定的计算后即可得到实际工程中的反扭矩大小，其可确保所获得的反扭矩数据更加精确。另外，还可通过设置轴向加压机构，实现对拟刀盘轴向的施力，以模拟TBM刀盘受到的轴向推力；同时通过设置法向加压机构，实现对拟刀盘周围破碎岩体的施力，以模拟在实际工程中破碎岩体承受的地应力等外部压力。

附图说明

图1为本实用新型所述试验装置的第一种具体示例的结构示意图；

图2为本实用新型所述试验装置的第二种具体示例的结构示意图；

图3为图2中局部区域A的放大示意图；

图4为搅拌锅及轴向加压机构的连接示意图；

图5为图4中局部区域B的放大示意图；

图6为一种涡轮蜗杆结构的转向传动机构的三围示意图；

图7为扭矩—时间实测的曲线示意图；

图中标记为：安装座1、驱动机构2、扭矩测量仪3、拟刀盘4、搅拌锅5、传动轴6、安装转轴7、容纳腔8、转向传动机构9、轴向加压机构10、法向加压机构11、内壁12、外壁13、液压腔14、盖体15、联轴器16、限位块17、破碎岩体18。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。

如附图1和附图2中所示的本实用新型所述试验装置的两种具体示例的示意图；本实用新型所述的TBM刀盘卡机时破碎岩体反扭矩模拟试验装置，包括安装座1，在安装座1上安装有驱动机构2、扭矩测量仪3、拟刀盘4和搅拌锅5，驱动机构2的输出轴与扭矩测量仪3的一端传动连接，扭矩测量仪3的另一端与一传动轴6传动连接，并且所述传动轴6与拟刀盘4的安装转轴7传动连接，以通过驱动机构2驱动拟刀盘4转动；所述搅拌锅5具有内凹的容纳腔8，所述容纳腔8的上端为开口侧，所述拟刀盘4可水平转动的设置在容纳腔8内，并且拟刀盘4上的安装转轴7从容纳腔8的上端开口侧向上延伸。

考虑到实际工程中整个TBM的实际刀盘较大，因此在本实用新型中由按照一定比例缩小后的拟刀盘4进行模拟代替；这样可使得本实用新型所述的整个试验装置得到极大的缩小，进而可在实验室内进行模拟试验。当然，通过试验所得到的数据仅表示在该比例条件下的拟刀盘4在卡机时所受到的破碎岩体的反扭矩，而为了获得实际工程中TBM真实刀盘在卡机时受到的反扭矩，可结合其与拟刀盘4的比例关系进行一定的换算后得到。

上述搅拌锅5的作用是用于向容纳腔8内装入破碎岩体18，这样通过将拟刀盘4放入到容纳腔8中，即可由破碎岩体将拟刀盘4包裹，进而实现模拟拟刀盘4被破碎岩体包裹的情况。

另外，驱动机构2的作用是用于驱动拟刀盘4转动，同时通过在驱动机构2与拟刀盘4之间的传动过程中设置相应的扭矩测量仪3，由扭矩测量仪3的对驱动机构2输出给拟刀盘4的扭矩进行实时的测量。其中，驱动机构2可采用一般的电机即可；而扭矩测量仪3则本身为已有的商品。扭矩测量仪3的两端可分别通过相应的联轴器16与驱动机构2的输出轴以及与传动轴6连接。

本实用新型中，在搅拌锅5的容纳腔8内需要加入破碎岩体18，以模拟TBM刀盘在工作时被破碎后的岩体包裹的情况，为了便于向容纳腔8内加入破碎岩体，因此一般将容纳腔8的上端设置为开口侧，并且使得容纳腔8整体呈下凹的半球状结构或者柱状结构，以便安装拟刀盘4并允许拟刀盘4在其内部转动。一般的，拟刀盘4通常安装在相应的安装转轴7上，并通过安装转轴7与驱动机构2实现传动连接以驱动拟刀盘4转动。考虑到上述搅拌锅5的设置情况，因此通常安装转轴7是呈竖向设置的，在这种情况下，相应的驱动机构2以及扭矩测量仪3的安装位置可按照附图1和附图2中所示的两种形式；参照附图1中所示，所述传动轴6以及驱动机构2的输出轴均为竖向设置，并且传动轴6、驱动机构2的输出轴和安装转轴7同轴设置；此种情况下，驱动机构2以及扭矩测量仪3在竖向方向上间隔设置，当然，相应的安装座1需要设置有用于安装驱动机构2以及扭矩测量仪3的竖向结构。而参照附图2中所示，所述传动轴6以及驱动机构2的输出轴均为水平设置，所述传动轴6与安装转轴7通过转向传动机构9传动连接；附图2中所示的安装方式，其相对于附图1中所示的安装方式的优势是更便于安装驱动机构2以及扭矩测量仪3等部件；而通过设置转向传动机构9实现将驱动机构2输出的水平向的转矩转为安装转轴7所需的竖向的转矩。具体的，参照附图5中所述，转向传动机构9可采用为蜗轮蜗杆的传动机构，并且可将传动轴6的一侧设置为蜗杆侧，而将安装转轴7的一侧设置为涡轮侧。

另外，在上述采用附图2中所示的安装结构时，由于安装转轴7通过转向传动机构9后与传动轴6传动连接，因此，还可进一步在安装转轴7的顶端设置有轴向加压机构10；而轴向加压机构10的作用是向安装转轴7施加轴向向下的压力，进而实现对拟刀盘4施加轴向压力，以模拟TBM刀盘受到的轴向推力。至于轴向加压机构10的具体结构并没有任何限制，只要其可实现对安装转轴7施加轴向向下的压力即可；例如可仅在安装转轴7的顶端设置砝码托盘，这样在需要施加压力时可通过向砝码托盘上放置相应重量的砝码即可。当然，考虑到当向安装转轴7施加轴向压力后，安装转轴7需要在竖向方向上发生一定的向下移动后才可使得拟刀盘4与破碎岩体之间的压力增加；因此在设置安装转轴7时，应当允许其可在竖向方向上移动一定的位移量，而为了限制安装转轴7在竖向上的位移量，可设置有相应的限位块结构17，具体可参照附图中所示。

另外，本实用新型还可进一步设置有法向加压机构11，所谓法向加压机构11，其目的是通过向位于容纳腔8内的破碎岩体施加法向上的压力以挤压破碎岩体，进而实现对实际工程中破碎岩体承受的地应力等外部压力的模拟；具体的法向加压机构11可采用液压泵，并且通过设置搅拌锅5的锅壁包括内壁12和外壁13的结构，同时在内壁12和外壁13之间形成密封的液压腔14；这样通过所述液压泵向液压腔14内输入高压液体，以使得内壁12变形并挤压内部的破碎岩体，实现向破碎岩体施加法向压力的目的；具体可参照附图4和附图5中所示的结构。

另外，在设置有上述的法向加压机构11后，当向液压腔14内泵入高压液体后，容纳腔8将被挤压变小，此时破碎岩体将向上膨胀，因此未了阻止破碎岩体从容纳腔8上端的开口侧溢出，同时使得因容纳腔8变小而产生的挤压力能更好的施加到破碎岩体18上，进一步可设置有盖体15，所述盖体15可扣紧的盖在所述容纳腔8上端的开口侧上，所述安装转轴7穿过所述盖体15。这样，当容纳腔8挤压内部的破碎岩体18时，由于上端开口被盖体15压紧盖住，因此破碎岩体18将被挤压，可更好的实现对实际工程中破碎岩体承受的地应力等外部压力的模拟。

上述本实用新型所述的试验装置，主要是利用驱动机构2的转动带动拟刀盘4在搅拌锅5内进行搅拌，以达到模拟TBM实际刀盘被破碎岩体所包裹时的情况；另外还可通过轴向和/或法向加压机构对破碎岩体施加相应的压力以模拟相应的工况，同时，在传动过程中利用扭矩测量仪3可对实际的扭矩进行实时的测定。另外，通过采用不同级配的破碎岩体，以及施加不同的轴向压力和/或者径向压力，可使得本实用新型所述的装置可获取不同级配的破碎岩体、不同施加压力等条件下破碎岩体样品的反扭矩参数。

本实用新型所述的试验装置的具体试验方法，可按照如下步骤进行：

步骤一：将试验所需的破碎岩体样品放入搅拌锅5内，同时放置拟刀盘4，并进行相应的传动连接，之后盖上盖体15；当然，如有必要，在放入拟刀盘4后，还可在拟刀盘4的上方在放入一定量的破碎岩体，以完全将拟刀盘4包裹；

步骤二：启动轴向加压机构10，通过轴向加压机构10向拟刀盘4施加相应的轴向压力；

步骤三：启动法向加压机构11，通过法向加压机构11向搅拌锅5内的破碎岩体18施加相应的法向压力；

步骤四：启动驱动机构，以带动拟刀盘4进行搅拌，直至搅拌启动并在速度平稳下保持3～5分钟；

步骤五：试验过程中记录各时刻扭矩测量仪3的扭矩实测值；

步骤六：绘制时间和扭矩实测值曲线，取曲线拐点最大值为卡机启动时候的启动反扭矩，取曲线拐点后部近水平直线段的切线斜距作为转动后的转动反扭矩。

参照附图7中所示，根据实际测得的扭矩—时间数据所绘制的曲线将大致呈该图所示的形状：从图7种可以看出，在启动前期，扭矩将随时间逐渐增大，达到曲线拐点时为最大值，而该最大值则为卡机时所需的启动反扭矩，即驱动机构必须能提供不小于该最大值的扭矩才可保证拟刀盘4能正常启动。而当经过曲线拐点后，扭矩先随时间逐渐下降，然后进入稳定阶段，进入稳定阶段后扭矩将随时间的变化而基本保持不变，即此时的扭矩—时间曲线将呈近水平直线段，此时所对应的扭矩则为保持拟刀盘4转动所需的转动反扭矩。

另外，上述步骤二和步骤三可选择性的执行，即可选择启动或者无需启动相应的轴向加压机构10或者法向加压机构11。