全断面岩石掘进机刀盘驱动试验台的加载方法

文档序号:10721853阅读:413来源:国知局
全断面岩石掘进机刀盘驱动试验台的加载方法
【专利摘要】本发明全断面岩石掘进机刀盘驱动试验台的加载方法属于全断面岩石掘进机技术领域,涉及一种全断面岩石掘进机刀盘驱动试验台的加载方法。加载方法采用液压作动器提供刀盘负载,借助加载环、加载滚子接触的方式扩大动载作用频率,通过调节架调整加载系统不同作用位置与负载扭矩大小。加载方法根据不同试验要求对加载系统的关键参数进行设计,通过调整加载环、加载滚子的主要参数满足刀盘动态载荷的大小和频率要求。加载系统,结构简单,便于实现,能够真实地模拟TBM实际掘进工况,满足TBM刀盘系统性能测试的动态载荷要求。
【专利说明】
全断面岩石掘进机刀盘驱动试验台的加载方法
技术领域
[0001] 本发明属于全断面岩石掘进机技术领域,涉及一种全断面岩石掘进机刀盘驱动试 验台的加载方法。
【背景技术】
[0002] 全断面岩石掘进机(TBM)是集掘进、衬砌、排渣于一体的工厂化隧道作业系统,广 泛应用于轨道交通、引水等隧道工程建设中。刀盘系统是TBM的核心部件,肩负着掘进开挖 的功能,主要包括刀盘和驱动系统,驱动系统通过齿轮啮合带动刀盘回转,为刀盘提供足够 的转矩切削岩石。由于TBM工作环境恶劣,刀盘负载复杂多变,掘进过程中常出现传动系统 齿轮断齿、安全轴断轴等事故。
[0003] 目前,针对TBM刀盘系统关键部件失效的问题,国内外学者从理论分析和试验验证 的角度对TBM刀盘系统动力学特性展开了广泛研究,设计并搭建了不同试验用途的TBM刀盘 试验台。其中,具有代表性的有中铁隧道集团有限公司洪开荣等人发明的TBM刀盘滚刀破岩 试验台,中国专利号:CN 201110170010.8,专利名称"用于隧道掘进机刀具破岩机理模态研 究的试验平台",该试验装置采用岩/土箱的方案模拟刀盘动态载荷并研究刀盘破岩机理, 加载方式复杂且难以进行精确控制,刀盘载荷施加的大小/频率受到自身系统的限制,并且 未涉及加载系统的设计方法。

【发明内容】

[0004] 本发明主要解决的难题,是针对现有的全断面岩石掘进机试验台动载施加困难, 载荷施加大小/频率范围过小的问题,发明一种全断面岩石掘进机刀盘驱动试验台的加载 方法。该加载方法采用液压作动器提供刀盘负载,借助加载环、加载滚子接触的方式扩大动 载作用频率,通过调节架调整加载系统不同作用位置与负载扭矩大小。该方法可根据不同 试验要求对加载系统关键参数进行设计,通过调整加载滚子和加载环的主要参数满足刀盘 负载扭矩大小和频率要求,进而模拟TBM刀盘在不同工况下的载荷,为刀盘驱动试验台动态 测试提供外部激励。使刀盘负载转矩更加符合实际工况,进而有效开展TBM刀盘系统的动态 特性试验。
[0005] 本发明采用的技术方案是一种全断面岩石掘进机刀盘驱动试验台的加载方法,其 特征是,加载方法采用液压作动器提供刀盘负载,借助加载环、加载滚子接触的方式扩大动 载作用频率,通过调节架调整加载系统不同作用位置与负载扭矩大小;该方法根据试验要 求确定试验台的结构特征、几何参数,实现加载系统的零部件选型和相关参数设计;方法具 体步骤如下:
[0006] 第一步搭建加载系统I
[0007] 加载系统I由安装在底座III上左右对称的两套结构完全相同的组件构成,每套组 件包括液压作动器10、加载滚子11、加载环12和调节架13;加载滚子11与安装在刀盘20端面 的加载环12接触,液压作动器10的执行端10a与加载滚子11铰接,液压作动器尾端10b安装 在底座III上;调节架13由相互垂直的第一螺纹调节杆13a和第二螺纹调节杆13b构成,调节 架13与液压作动器10固连,通过调整调节架13的长度调整加载系统动载作用位置,实现刀 盘不同位置加载,模拟刀盘负载转矩;
[0008] 所述加载滚子11包括圆锥滚子11a、调心滚子轴承lib和阶梯轴11c,圆锥滚子11a 的内圈与调心滚子轴承lib过盈配合,通过阶梯轴11c与液压作动器执行端10a铰接;加载环 12由多段相同且反向的圆弧拼接而成,沿周向展开为双圆弧曲线,同心安装在刀盘20的端 面上;
[0009] 第二步确定加载滚子11的参数,加载滚子11的参数包括:调心滚子轴承lib外径 rP,调心滚子轴承宽度B P,圆锥滚子1 la内径^、底径rm、顶径rn和圆锥长度B;
[0010] 先根据液压作动器10输出载荷和几何结构参数对调心滚子轴承进行选型,由配合 关系可知,调心滚子轴承外径rP即为圆锥滚子内径再根据装配条件和几何结构参数确定 圆锥滚子底径r m,圆锥滚子顶径&和圆锥长度B设计范围:
[0012] 其中,[B]、[r]为液压作动器执行端允许圆锥滚子安装的最大宽度和半径;
[0013] 根据满足条件公式(1)的圆锥滚子参数,加载滚子与加载环接触长度1:
[0015] 其中,接触长度1即为加载环宽度;
[0016] 第三步确定加载环12的参数,加载环12的参数包括:圆弧线幅值a,圆弧线数目b和 圆弧线半径ri;
[0017] 根据刀盘载荷频率和刀盘转速,确定圆弧线数目b:
[0019] 其中,f:载荷频率;η:刀盘转速;fi:液压作动器输出频率;
[0020] 依据公式(1)计算得到的圆弧线数目b和刀盘载荷大小,确定圆弧线幅值a:
[0022] 其中,Tmax :最大扭矩载荷;r:加载环安装半径;Fa:液压作动器轴向作用力;b:圆弧 线数目;
[0023] 按公式(3)-(4)计算得到的圆弧线幅值a和圆弧线数目b,则圆弧线半径为r1:
[0025] 其中,r1:圆弧线半径;1:圆弧线弦长;Θ:接触角;
[0026] 根据式(3)-(5)设计计算的加载环,应满足加载环和加载滚子的许用应力条件:
[0027] σΗ^[σ] (6)
[0028] 其中,[σ]:许用应力;σΗ:加载环和加载滚子接触应力,可根据赫兹接触理论表示:
[0030] 其中,Fa:轴向作用力;B:接触长度,即加载环宽度;Ei、E2 :弹性模量;μι、μ2:泊松比; Ρ1、Ρ2:曲率半径;
[0031] 第四步加载
[0032] 利用调节架13调整相互垂直的第一螺纹调节杆13a和第二螺纹调节杆13b的螺纹 杆长度,实现加载系统1对刀盘20不同位置的加载;启动刀盘驱动系统,使刀盘20回转,加载 滚子11与加载环12接触并相对加载环12作往复运动,则刀盘20受到的最大扭矩载荷通过切 向作用力实现,由公式(4)式得到转换公式为:
[0034]其中,Tmax:最大扭矩载荷;Ft:切向作用力;r:加载环安装半径;Fa:轴向作用力;a: 圆弧线幅值;b:圆弧线数目。
[0035] 本发明的有益效果是加载方法通过液压作动器实现刀盘外部激励大小和频率的 控制,所提供的载荷借助加载环、加载滚子接触的方式作用在刀盘上,扩大了动载大小及频 率的调节范围,满足TBM刀盘在不同试验条件下的负载扭矩要求,模拟刀盘实际所受冲击载 荷。
【附图说明】
[0036] 图1为本发明TBM刀盘驱动试验台结构图,图2为加载系统结构图,图3为加载滚子 结构图,图4为动载施加原理图。图中:I-加载系统:10-液压作动器,10a-液压作动器的执行 端,l〇b-液压作动器尾端,11-加载滚子,11a-圆锥滚子,lib-调心滚子轴承,11c-阶梯轴, 12-加载环,13-调节架,13a-第一螺纹调节杆,13b-第二螺纹调节杆,II-刀盘系统:20-刀 盘,21-电机,22-减速器,23-主梁;III-底座;r P-调心滚子轴承外径,re-圆锥滚子内径,rm-圆锥滚子底径,rn-圆锥滚子顶径,B-圆锥长度,B P-调心滚子轴承宽度,Fa-轴向作用力,a-圆 弧线幅值,η-圆弧线半径,1-圆弧线弦长,Θ-接触角, rg-圆锥滚子任意截面半径。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
[0038]如图1所示的TBM刀盘试验台,包括加载系统I、刀盘系统II和底座III;加载系统I 和刀盘系统II均安装在底座III上;刀盘系统II包括刀盘20、电机21、减速器22和主梁23,电 机21和减速器22相连组成刀盘驱动系统,该驱动系统有多套,并沿刀盘20周向均布安装在 主梁23两侧,电机21输出转矩经减速器22放大后通过齿轮啮合驱动刀盘20回转;刀盘20前 端受到加载系统I提供的冲击载荷,与刀盘20回转共同作用,合成刀盘20的负载扭矩。
[0039]如图1、图2所示的加载系统I,包括液压作动器10、加载滚子11、加载环12和调节架 13;液压作动器执行端10a沿轴向与加载滚子11铰接,加载环12同心安装在刀盘20端面,液 压作动器10所提供的载荷通过加载滚子11与加载环12接触的方式作用在刀盘20上,形成外 部激励;液压作动器执行端10a沿竖直和水平方向与调节架13固连,调节架13由2根相互垂 直的第一螺纹调节杆13a和第二螺纹调节杆13b组成,螺纹杆长度可调。液压作动器尾端10b 与底座3通过螺栓连接,底座3有两排等间距螺纹孔,通过改变液压作动器尾端10b与底座3 的连接位置。同时,调整调节架13相互垂直的第一螺纹调节杆13a和第二螺纹调节杆13b螺 纹杆长度,即可实现加载系统1对刀盘20不同位置的加载。
[0040] 如图3所示的加载滚子11包括圆锥滚子11a、调心滚子轴承lib和阶梯轴11c;圆锥 滚子11a内圈与调心滚子轴承lib过盈配合,通过阶梯轴11c与液压作动器执行端10a铰接; 刀盘20回转过程中,圆锥滚子11a与加载环12接触并作纯滚动。
[0041] 本发明的工作原理是液压作动器10提供的轴向载荷推动加载滚子11作用到加载 环12上,模拟TBM刀盘实际所受冲击载荷,加载环12同心安装在刀盘20端面上并随刀盘20回 转,轴向载荷与回转运动共同作用,合成刀盘20所受负载扭矩,通过控制液压作动器10输出 载荷的大小和频率即可实现TBM刀盘在不同工况下的外部激励模拟。
[0042] 如图4所示的加载滚子11和加载环12接触模型,加载环12由多段相同且反向的圆 弧拼接而成,沿周向展开为双圆弧曲线。启动刀盘驱动系统,使刀盘20回转,加载滚子11与 加载环12接触并相对加载环12作往复运动,则刀盘20受到的最大扭矩载荷通过切向作用力 实现,可由公式(4)式转换成:
[0044]其中,Tmax:最大扭矩载荷;Ft:切向作用力;r:加载环安装半径;Fa:轴向作用力;a: 圆弧线幅值;b:圆弧线数目。
[0045] 如图3所示的加载滚子11,加载滚子11的设计参数包括调心滚子轴承外径rP,圆锥 滚子内径圆锥滚子底径,圆锥滚子顶径化和圆锥长度B。选型设计的依据主要为液压作 动器输出载荷F4P液压作动器执行端几何参数,其中,调心滚子轴承lib的选型应满足最大 输出载荷下的强度、刚度要求,确定型号后再根据配合关系可知,调心滚子轴承外径r P即为 圆锥滚子内径
[0046] 根据装配条件和几何结构参数,圆锥滚子底径^,圆锥滚子顶径仏和圆锥长度B的 设计应满足条件公式(1),加载滚子与加载环接触长度1应满足公式(2)。加载环12的设计参 数圆弧线数目b与最大扭矩载荷T max和载荷频率f有关,圆弧线数目b由公式(3)确定。
[0047] 圆弧线幅值a与最大扭矩载荷Tmax和圆弧线数目b有关,可根据公式(4)得到;加载 环12圆弧线半径由公式(6)得出。计算得到的加载环12,应满足加载环12和加载滚子11的许 用应力条件,即公式(7);加载环和加载滚子接触应力由公式(8)得到。
[0048] 表1为实际试验测试条件的相关参数,
[0049]表1实际试验条件参数
[0051]根据表1及公式(2)-(3)设计加载滚子11的参数见表2,
[0052]表2滚子设计参数
[0054] 根据表1及式(4)-(8)设计加载环12的参数见表3。
[0055] 表3加载环设计参数
[0058]本发明的加载方法,能够根据试验要求实现加载系统的零部件选型和关键参数设 计,所设计的加载系统扩大了动载大小及频率的调节范围,可模拟刀盘在不同地层条件下 的负载扭矩和冲击载荷,具有很高的实际工程价值。
【主权项】
1. 一种全断面岩石掘进机刀盘驱动试验台的加载方法,其特征是,加载方法采用液压 作动器提供刀盘负载,借助加载环、加载滚子接触的方式扩大动载作用频率,通过调节架调 整加载系统不同作用位置与负载扭矩大小;该方法根据试验要求确定试验台的结构特征、 几何参数,实现加载系统的零部件选型和相关参数设计;方法具体步骤如下: 第一步搭建加载系统(I) 加载系统(I)由安装在底座(III)上左右对称的两套结构完全相同的组件构成,每套组 件包括液压作动器(10)、加载滚子(11)、加载环(12)和调节架(13);加载滚子(11)与安装在 刀盘(20)端面的加载环(12)接触,液压作动器的执行端(10a)与加载滚子(11)较接,液压作 动器尾端(10b)安装在底座(III)上;调节架(13)由相互垂直的第一螺纹调节杆(13a)和第 二螺纹调节杆(13b)构成,调节架(13)与液压作动器(10)固连,通过调整调节架(13)的长度 调整加载系统动载作用位置,实现刀盘不同位置加载,模拟刀盘负载转矩; 所述加载滚子(11)包括圆锥滚子(11a)、调屯、滚子轴承(1化)和阶梯轴(11c),圆锥滚子 (11a)的内圈与调屯、滚子轴承(1化)过盈配合,通过阶梯轴(11c)与液压作动器执行端(10a) 较接;加载环(12)由多段相同且反向的圆弧拼接而成,沿周向展开为双圆弧曲线,同屯、安装 在刀盘(20)的端面上; 第二步确定加载滚子(11)的参数,加载滚子(11)的参数包括:调屯、滚子轴承(lib)外径 (。),调屯、滚子轴承宽度(Bp),圆锥滚子(11a)内径(。)、底径(rm)、顶径(rn)和圆锥长度(B); 先根据液压作动器(10)输出载荷和几何结构参数对调屯、滚子轴承进行选型,由配合关 系可知,调屯、滚子轴承外径(rp)即为圆锥滚子内径再根据装配条件和几何结构参数确 定圆锥滚子底径(rm),圆锥滚子顶径(rn)和圆锥长度(B)设计范围:0) 其中,[B],[r]:液压作动器执行端允许圆锥滚子安装的最大宽度和半径; 根据满足条件公式(1)的圆锥滚子参数,加载滚子与加载环接触长度1:(2) 其中,接触长度1即为加载环宽度; 第Ξ步确定加载环(12)的参数,加载环(12)的参数包括:圆弧线幅值(a),圆弧线数目 (b)和圆弧线半径(ri); 根据刀盘载荷频率和刀盘转速,确定圆弧线数目b:(3) 其中,f:载荷频率;η:刀盘转速;fi:液压作动器输出频率; 依据公式(1)计算得到的圆弧线数目b和刀盘载荷大小,确定圆弧线幅值a:(4) 其中,Tmax:最大扭矩载荷;r:加载环安装半径;Fa:液压作动器轴向作用力;b:圆弧线数 目; 按公式(3)-(4)计算得到的圆弧线幅值a和圆弧线数目b,则圆弧线半径为ri:(5) 其中,ri:圆弧线半径;1:圆弧线弦长;Θ:接触角; 根据式(3)-巧)设计计算的加载环,应满足加载环和加载滚子的许用应力条件: 〇H《[〇] (6) 其中,[σ]:许用应力;OH:加载环和加载滚子接触应力,可根据赫兹接触理论表示:(7) 其中,Fa:轴向作用力;B :接触长度,即加载环宽度;El、E2 :弹性模量;μι、μ2 :泊松比;P1、 Ρ2:曲率半径; 第四步加载 利用调节架(13),调整相互垂直的第一螺纹调节杆(13a)和第二螺纹调节杆(13b)的螺 纹杆长度,实现加载系统(I)对刀盘(20)不同位置的加载;启动刀盘驱动系统,使刀盘(20) 回转,加载滚子(11)与加载环(12)接触,并相对加载环(12)作往复运动,则刀盘(20)受到的 最大扭矩载荷通过切向作用力实现,由公式(4)式得到转换公式为:其中,Tmax:最大扭矩载荷;Ft:切向作用力;r:加载环安装半径;Fa:轴向作用力;a:圆弧 线幅值;b:圆弧线数目。
【文档编号】G01M13/00GK106092527SQ201610365518
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】孙伟, 丁鑫, 马宏辉, 王林涛, 霍军周, 石茂林
【申请人】大连理工大学
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