一种结构可调整的盾构刀具磨损试验模型刀盘的制作方法

本发明涉及盾构刀具磨损试验研究领域，具体涉及一种结构可调整的盾构刀具磨损试验模型刀盘。

背景技术：

刀盘和刀具的磨损不仅是盾构－地层适应性问题的集中体现，也是长距离盾构高效施工关键技术研究的焦点。近年来，随着盾构掘进机在隧道施工技术中的广泛应用，国内外学者通过综合运用理论分析、室内试验、数值模拟以及现场监测等方法就刀盘和刀具磨损问题开展了大量的研究工作。鉴于理论分析和数值模拟研究对相关参数的取值具有高度的依赖性，现场磨损监测装置存在难以适应刀盘的实际工作环境等不足之处，室内缩尺模型试验已逐渐成为研究刀盘和刀具磨损问题的主要方法。而模型刀盘作为试验装置掘进系统的关键部件，对于磨损试验结果的准确性显得尤为关键。

文献调研的结果表明：目前用于测试刀盘和刀具磨损的试验装置模型刀盘结构相对固定，且仅能模拟特定条件下的盾构刀盘，缺乏普遍适用性，难以真正适应盾构刀具磨损缩尺模型试验的需求。例如：中国发明专利CN106441751A和中国实用新型专利CN206095556U提出了一种用于上软下硬地层的盾构机刀具磨损模拟试验装置。该装置按照相似性原则对盾构刀盘进行等比例缩尺得到试验所需的模型刀盘，不仅制作工艺繁琐、刀具表面形状复杂，而且仅能进行特定刀具安装位置和刀盘开口率条件下的缩尺模型试验，难以适应不同的盾构施工工况。再如：中国发明专利CN102901685A和中国实用新型专利CN202956319U提出的一种模拟盾构施工工况的刀具摩擦磨损试验机、试验刀具及试验方法通过试样夹具和长方体（或圆柱体）试样来模拟盾构机的刀盘和刀具结构。虽然有利于从材料科学的角度研究刀具的磨损行为和机理，但是由于结构过于简单，该方案除了具有难以评估安装位置和刀盘开口率对刀具磨损的影响等固有缺陷以外，还存在难以准确模拟盾构刀盘与隧道掌子面岩土材料的接触状态和实际掘进过程中刀盘的磨损机理，无法反演盾构施工期间泥浆/润滑剂掺入对刀具磨损的减缓效应等不足之处。

鉴于现存的模型刀盘存在上述缺陷，难以满足目前盾构刀具磨损试验研究的需要。因此，开发出具有普适性并能够准确模拟盾构刀盘与隧道掌子面岩土材料接触状态和实际掘进过程中刀盘磨损机理的刀具磨损试验模型刀盘显得至关重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有刀具磨损试验装置模型刀盘的不足而提供一种结构相对简单且能够准确模拟盾构刀盘与隧道掌子面岩土材料接触状态和实际掘进过程中刀盘磨损机理的新型刀具磨损试验模型刀盘。该刀盘不仅可以有效评估诸如：刀具形状、安装位置和刀盘开口率等因素对缩尺模型试验结果的影响，而且方便统计质量损失和分析表面形貌特征，具备良好的普遍适用性。本发明使得室内缩尺模型试验不仅能够评估刀具磨损问题，而且可以为刀盘结构选型提供依据。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种结构可调整的盾构刀具磨损试验模型刀盘，包括：驱动轴和模型刀盘，所述驱动轴包括中心轴和多体连接件，模型刀盘包括刀盘辐条、试验刀座、试验刀具、边缘刀圈以及刀盘面板，刀盘辐条上部中心设有第二通道，两侧设有喷嘴和面板安装槽，下部设有横截面呈“T”字形的刀座安装槽，槽身两侧壁上开有长形孔；试验刀座包括辐条刀座、边缘刀座和面板刀座；刀具包括先行刀和刮刀，安装于试验刀座上；边缘刀圈包括刀座安装槽和固定螺栓。

所述中心轴与模型刀盘通过多体连接件连接且所述中心轴内沿轴线设有第一通道，所述刀盘辐条沿中心轴径向布置，所述边缘刀圈呈环状布置于刀盘辐条的外周部；所述驱动轴和多体连接件通过螺纹连接，所述多体连接件内部中空，侧壁上开有若干个丝孔，所述刀盘辐条一端与多体连接件的丝孔螺纹连接，另一端通过固定螺栓固定在边缘刀圈上，所述第二通道连通丝孔且与第一通道贯通，泥浆/润滑剂材料可沿中心轴内的第一通道顺利进入辐条刀座上部中心的第二通道，刀盘面板安装于刀盘辐条上的面板安装槽中。

所述刀盘辐条上部为矩形管结构，矩形管内部和侧壁分别设有第二通道和喷嘴，所述喷嘴与第二通道连通，可用于泥浆/润滑剂材料的掺入和实时动态喷出。

所述辐条刀座、边缘刀座和面板刀座的横截面均为“T”字形，所述边缘刀座与辐条刀座均通过卡位螺栓穿过“T”字形刀座上的连接螺栓孔和长形孔将所述边缘刀座与辐条刀座固定安装在所述刀座安装槽中，所述面板刀座固定安装于所述刀盘面板上。当进行刀具磨损试验时，通过拧紧卡位螺栓可将边缘刀座与辐条刀座固定于所需要的刀具安装位置；而当需要模拟不同工况时，通过拧松卡位螺栓，沿标设刻度的刀座安装槽滑动刀座体至需要位置，即可实现对不同安装直径条件下的刀具磨损情况进行模拟。此外，辐条刀座、边缘刀座和面板刀座底端均设有螺纹安装孔，主要用刀座与刀具之间的连接。

进一步地，所述试验刀具包括先行刀和刮刀。其中，先行刀和刮刀均由刀刃、刀体和安装螺栓三个主要部分构成。先行刀刀刃和刮刀刀刃采用碳化钨合金，先行刀刀体、先行刀安装螺栓、刮刀刀体和刮刀安装螺栓为普通结构钢。针对实际盾构刀具的主要形状特征，本方案设计了一系列具有不同刃宽的先行刀和具有不同前角、刃角和后角的刮刀，可就刀具形状与磨损的关系问题开展相应的室内刀具磨损试验研究，为实际盾构刀具形状的选择和优化提供重要参考。

进一步地，所述中心轴与多体连接件连接处及多体连接件与刀盘辐条连接处均设有橡胶密封圈，可以起到良好的密封效果。

在上述技术方案中刀盘面板、刀盘辐条以及边缘刀圈之间所围成的空隙面积与圆形刀盘的总面积之比即为模型刀盘的“开口率”。本发明通过设计一系列不同规格的面板可对试验刀盘的开口率进行调节，以便于探索不同工况条件下盾构隧道掘进机的相对最优开口率。

沿中心轴轴线的第一通道和沿刀盘辐条轴线的第二通道通过多体连接件贯通，共同构成了一条完整的泥浆/润滑剂掺入通道。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

①本发明提出的一种结构可调整的盾构刀具磨损试验模型刀盘通过对实际盾构刀盘结构进行合理简化使其在保持结构相对简洁的情况下能够准确地模拟盾构刀盘与隧道掌子面岩土材料的接触状态和实际掘进过程中刀盘的磨损机理。

②基于卡位螺栓配合长形孔的连接设计使得试验刀座在卡位螺栓拧松时可沿刀座安装槽任意滑动，亦可在卡位螺栓紧固时滞留于任一位置。该方案对于研究不同工程条件下盾构的刀具磨损问题和刀具安装位置对其磨损量的影响问题十分有利。

③借助一系列不同规格的面板体可对试验刀盘的开口率进行调节，使得该模型刀盘可有效评估不同工况条件下盾构隧道掘进机的开口率与刀盘刀具磨损以及相关掘进参数之间的关系，进而为解决盾构在特定工程地质条件下的相对最优开口率和最佳掘进参数问题提供良好的契机。

④通过设计的泥浆/润滑剂掺入通道有效地实现了对实际工程中泥浆/润滑剂材料随刀盘掘进实时动态掺入过程的反演。为研究泥浆/润滑剂材料对刀盘刀具磨损的影响奠定了基础。

⑤可修正的辐条体、可滑动的试验刀座、可调节的模型刀盘开口率以及可变更的刀具形状和数目等设计方案确保了该新型盾构刀具磨损试验模型刀盘具备良好的普适性，为基于室内缩尺模型试验的土体磨蚀性和盾构刀具磨损问题的研究提供了广阔的平台。

⑥较之于相似性缩尺刀盘，该新型盾构刀具磨损试验模拟刀盘不仅制造成本相对较低，制作工艺更为简单，而且便于进行后期刀具的磨损失重计量和表面形貌分析。

附图说明

图1为本发明的面部结构示意图；

图2为本发明的背部结构示意图；

图3为本发明驱动轴及刀盘辐条之间的安装示意图；

图4为本发明刀盘辐条的结构示意图；

图5为本发明试验刀座的结构示意图；

图6为本发明试验刀具与试验刀座安装示意图；

图7为本发明试验刀具系列的形状示意图；

图8为本发明边缘刀圈的结构示意图；

图9为本发明实施例中涉及的边缘刀圈与刀盘辐条的安装示意图；

图10为本发明刀盘面板的结构示意图；

其中：1-中心轴、11-第一通道、2-多体连接件、21-丝孔、3-刀盘辐条、31-第二通道、32-喷嘴、33-面板安装槽、34-刀座安装槽、35-长形孔、4-试验刀座、41-辐条刀座、411-卡位螺栓、412-连接螺栓孔、413-螺纹安装孔、42-边缘刀座、43-面板刀座、5-试验刀具、51-先行刀、511-先行刀刀刃、512-先行刀刀体、513-先行刀安装螺栓、52-刮刀、521-刮刀刀刃、522-刮刀刀体、523-刮刀安装螺栓、6-边缘刀圈、61-固定螺栓、7-刀盘面板、8-橡胶密封圈。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作出进一步的详细阐述。

如图1和图2所示，本发明为一种结构可调整的盾构刀具磨损试验模型刀盘包括驱动轴和模型刀盘，所述驱动轴包括中心轴1和多体连接件2，所述模型刀盘包括刀盘辐条3、试验刀座4、试验刀具5、边缘刀圈6以及刀盘面板7。

其中，中心轴1为中空轴位于整个模型刀盘的中心区域，内部设有用于泥浆/润滑剂掺入的第一通道11。设置于中心轴1底端的多体连接件2外周部均匀布置了若干刀盘辐条3，其数量和间隔角度可根据试验需要进行适当调整。试验刀座4装配于刀盘辐条3上，可供安装试验刀具5。边缘刀圈6位于刀盘辐条3外周部，与刀盘辐条3、中心轴1、多体连接件2共同构筑了模型刀盘的骨架。刀盘面板7则均匀布置于刀盘辐条3与边缘刀圈6所围成的区域范围内，在保持刀盘结构稳定的同时可支撑开挖的岩土材料，有效地防止了模拟隧道掌子面的塌陷。通过围绕“刀具磨损”问题合理对盾构刀盘结构进行简化，该模型试验刀盘可在保持相对简洁的情况下较为准确地模拟刀盘与隧道掌子面岩土材料的接触状态和实际盾构掘进过程中刀盘的磨损机理。

如图3所示，中心轴1内沿轴线设有第一通道11，中心轴1顶端连接变频驱动电机，为整个模型刀盘的掘进和旋转运动提供动力；底端衔接多体连接件2，实现了中心轴1与刀盘辐条3之间的合理衔接。所述多体连接件2顶端车有外螺纹，中心轴1和多体连接件2通过螺纹连接，所述多体连接件2内部中空，侧壁上开有若干个丝孔21，所述刀盘辐条3与多体连接件2的丝孔21螺纹连接。所述中心轴1与多体连接件2连接处及多体连接件2与刀盘辐条3连接处均设有橡胶密封圈8， 在该结构不仅实现了中心轴1与刀盘辐条3内端部之间的合理连接，而且具有良好的密封性能，有效地防止了泥浆/润滑剂掺合料的渗漏。所述辐条体3的数量可根据试验所要模拟的盾构刀盘结构，通过更换多体连接件2和修正侧壁丝孔21的数量进行调整。这种基于“刀盘结构可调整”的设计理念使得模型刀盘的普适性得到了大幅度的提高，为能够有效模拟不同类型的盾构刀盘结构提供了强有力的技术支撑。

如图4和图5所示，所述刀盘辐条3上部中心设有第二通道31，两侧设有喷嘴32和面板安装槽33，下部设有横截面呈“T”字形的刀座安装槽34，槽身两侧壁上开有长形孔35，所述喷嘴32与所述第二通道31连通，可用于运送和喷洒泥浆/润滑剂掺合料，以模拟实际盾构掘进期间泥浆/润滑剂材料随刀盘运动的实时动态施加过程。以所述面板安装槽34为界，刀盘辐条3主要可分为上部矩形管结构和下部槽型结构两个部分。其中，所述上部矩形管结构内端开口，与所述中心轴1及其内部的第一通道11贯通；外端封闭，通过固定螺栓61与边缘刀圈6连接；所述下部槽型结构为刀座安装槽34，用于试验刀具的安装。卡位螺栓411穿过“T”字形辐条刀座41上的连接螺栓孔412和长形孔35将所述辐条刀座41固定安装在所述刀座安装槽34中。

所述辐条刀座41横截面为“T”字形，所述辐条刀座41底部设有螺纹安装孔413，所述螺纹安装孔413可用于安装具有不同刃宽的先行刀51和不同前角、后角、刃角的刮刀52。当进行刀具磨损试验时，通过拧紧卡位螺栓411可将“T”字形辐条刀座41固定于所需要的刀具安装位置；而当需要调整刀盘结构时，通过拧松卡位螺栓411，并沿标设刻度的刀座安装槽34滑动辐条刀座41至目标位置即可调整试验刀具的安装直径，从而实现对具有不同安装直径的盾构刀盘进行模拟。这种卡位螺栓411配合长形孔35的设计思路不仅合理地解决了辐条刀座41与刀座安装槽34之间的衔接问题，而且集中体现了新型模型刀盘“结构可调整”的设计理念，基于“刀具位置可变更”的设计方案为通过室内缩尺模型试验合理解决“刀具磨损随切削轨迹的变化规律”问题提供了良好的契机。

如图6所示，所述的试验刀具5包括先行刀51和刮刀52、所述先行刀51包括先行刀刀刃511，先行刀刀体512和先行刀安装螺栓513，所述刮刀52包括刮刀刀刃521，刮刀刀体522和刮刀安装螺栓523。本发明设计了一系列具有不同刃宽的先行刀51和具有不同前角、后角、刃角的刮刀52，旨在通过进行相应的刀具磨损系列试验研究刃宽与先行刀磨损的关系和前角、后角、刃角与刮刀磨损的关系。考虑到基于上述问题的磨损试验需要不断地更换刀具，固定式的刀盘结构显然难以满足试验需求。而这种基于螺栓连接的“可拆卸刀具”设计方案具有独特的优越性，在每次试验仅需更换刀具的情况下不仅显著降低了试验成本，也合理地提高了试验效率。所述的先行刀刀刃511和刮刀刀刃521的整体形状保持与盾构原装刀具一致，局部形状得到了合理地简化。通过忽略先行刀刀刃511和刮刀刃521的局部合金焊接构造特征，代之以几何形状规则的整块刀刃合金体材料，刀具的局部凹凸特征明显得以消除。该方案使得模型刀盘既能相对准确地模拟盾构刀盘与隧道掌子面岩土材料的接触状态和实际掘进过程中刀盘的磨损机理，又大幅度地简化了后期刀具磨损的质量损失计量和表面形貌分析工作。

在模拟盾构掘进的过程中，所述的先行刀刀体512通过借助先行刀刀刃511对前方模拟隧道掌子面的岩土体材料进行犁松，先行刀安装螺栓513主要用于先行刀与刀座之间的连接，刮刀安装螺栓523主要用于刮刀与刀座之间的连接；所述的刮刀刀刃521和刮刀刀体522则主要起到切削掌子面岩土体材料的作用。

如图7所示，当需要进行刀具更换时，通过拧开先行刀安装螺栓513和刮刀安装螺栓523即可分别从螺纹安装孔413中取出磨损后的刀具进行清洗和干燥处理。这种基于安装螺栓的连接设计思维使得试验刀具具有较好的可拆卸性。当模拟的盾构刀盘结构保持不变时，每次磨损试验后仅需更换刀具，而非整个刀盘体。较之于固定式刀具，“可拆卸刀具”的设计方案不仅提高刀盘体的利用效率，而且有效实现了刀具数量的可控性，与模型刀盘“结构可调整”的设计理念相契合。

如图8所示，所述边缘刀圈6上设有刀座安装槽34，槽身两侧壁上开有长形孔35，边缘刀座42与辐条刀座41结构相似,横截面均为“T”字形,且通过卡位螺栓411固定安装在边缘刀圈6上的刀座安装槽34中。

如图9所示，所述的边缘刀圈6呈环状布置于刀盘辐条3的外周部。二者之间可通过贯穿于边缘刀圈6且端部嵌入刀盘辐条3内部的固定螺栓61进行连接。所述的边缘刀圈6在参与构筑刀盘骨架结构，保证刀盘整体稳定性的同时起到切削刀盘前方掌子面边缘岩土体材料的作用。

如图10所示，所述面板刀座43横截面为“T”字形,与辐条刀座41结构相似,主要区别在于端部无卡位螺栓孔。所述面板刀座43固定安装于所述刀盘面板7上，所述刀盘面板7主要分布于中心轴1、刀盘辐条3以及边缘刀圈6所围成的区域范围内，主要起到了强化刀盘结构的整体性、支撑开挖面的岩土体材料和有效避免模拟隧道掌子面塌陷的作用。

所述刀盘面板7通过面板安装槽33与刀盘辐条3进行连接。当进行刀盘辐条3更换时可同时进行刀盘面板7的拆卸，通过设计一系列具有不同形状、尺寸的面板结构可以在有效降低试验成本，提高试验效率的前提下顺利实现对“刀盘开口率对刀具磨损及盾构掘进参数的影响”问题进行研究。

综上所述，本实施例所提供的新型盾构刀具磨损试验模型刀盘的结构可调整性主要表现为：①模型刀盘整体结构的可拆卸性；②辐条数量的可改变性；③刀座位置和数量的可调整性；④刀具形状和数量的可更正性。这种基于“可调整性”的设计理念使得本发明具有良好的普适性，能够有效解决诸如：①准确模拟盾构刀盘与隧道掌子面岩土材料的接触状态和实际掘进过程中刀盘的磨损机理；②科学研究不同类型的盾构刀具磨损情况和刀具安装位置与其磨损量的影响；③量化评估盾构隧道掘进机的开口率与刀盘刀具磨损以及相关掘进参数之间的关系；④合理反演泥浆/润滑剂材料随刀盘掘进的实时动态掺入过程；⑤盾构刀具磨损试验模型刀盘的普适性；⑥有效降低缩尺模型试验成本，合理简化刀盘制作工艺与和刀具磨损表面形貌分析等一系列技术难题，使得基于室内缩尺模型试验的盾构刀具磨损研究得到了进一步的发展，具有较好的科学研究价值与实际应用价值。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为其中的一种实施例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。