一种进行盾构机刀具室内碰撞试验的装置和方法与流程

本发明涉及盾构机刀具检测技术领域，尤其涉及一种进行盾构机刀具室内碰撞试验的装置和方法。

背景技术：

盾构机在地下掘进施工过程中会遇到诸如淤泥、砂层、粘土、软岩及硬岩等各种性质不同的地层，在某些地区，甚至还会遇到上软下硬复合地层、砂卵石地层、孤石地层等复杂地层，在这些复杂地层中掘进时，刀具因碰撞导致损坏的情况较为常见，导致了盾构机频繁的停机，不但增加了工期与工程费用，还增大了工程风险，极大地影响了盾构施工的安全性与效率。作为盾构掘进过程中经常会遇到的技术难题之一，如何有效地避免刀具的碰撞损坏，控制和减少刀具碰撞，并正确合理地选择换刀时机是非常重要的。

同时，目前关于盾构刀具的试验多以盾构刀具磨损试验为主，与盾构刀具碰撞相关的试验较为罕见，且以往的试验设备很难对刀具的受力进行监测。为探究不同盾构施工掘进参数、不同地层条件、不同刀具型式和配置、泥浆改良材料等各类因素对刀具碰撞现象的影响，需要设计相应的装置来进行盾构机刀具碰撞试验，并在试验过程中对刀具的使用情况进行监测。因此，为了更好的对盾构刀具碰撞现象进行研究，有必要研制一种进行盾构机刀具室内碰撞试验的装置和方法。

技术实现要素：

本发明的实施例提供了一种进行盾构机刀具室内碰撞试验的装置和方法，以克服现有技术的缺点。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种进行盾构机刀具室内碰撞试验的装置，包括：试验台架、动力及传力系统、试验材料箱、模型刀盘、模型刀具、数据采集系统、传输系统、数据监测系统与plc控制系统；

所述试验台架由四根圆柱形立柱、上顶板、限位活动板、底板、液压驱动马达固定支架和底座组成，所述四根圆柱形立柱用于固定上顶板、限位活动板和底板；

所述动力及传力系统包括转动装置与推进装置，转动装置由液压驱动马达驱动，推进装置由两个规格相同的推进液压油缸控制，在转动装置和推进装置的共同作用下实现模型刀盘的转动和推进；

所述试验材料箱固定安装在试验台架的底板上，一侧开口，安装有机玻璃材质的观察窗，在试验材料箱内根据试验需求装入不同种类和比例的盾构机刀具室内碰撞试验所需材料；

所述模型刀具安装在所述模型刀盘上，所述数据采集系统通过所述观察窗观测并记录模型刀具碰撞时的物理现象，并监测模型刀具碰撞瞬间的受力，所述数据监测装置监测模型刀盘的转速情况，所述数据采集系统和所述数据监测系统通过传输系统与plc控制系统相连。

优选地，所述试验台架的立柱上端为阶梯型，用于上顶板的安装，上顶板中部留有一圆孔，液压驱动马达固定支架焊接于限位活动板上，底板用于固定试验材料箱。

优选地，所述动力及传力系统包括转动装置与推进装置，所述转动装置由液压驱动马达驱动，液压驱动马达与固定支架通过螺栓连接，在液压驱动马达的推动下，实现模型刀盘的转动，所述推进装置由两个规格相同的推进液压油缸控制，液压油缸两端分别与顶板和限位活动板栓接在一起，由液压油缸的伸缩带动限位活动板与中心轴承竖向移动，实现模型刀盘的推进，所述两个推进液压油缸，规格相同，通过液压油管与液压系统相连，两个推进液压油缸油管的进出油保持同步。

优选地，所述试验材料箱为圆筒形，固定安装在试验台架的底板上，所述试验材料箱的一侧开口，安装有机玻璃材质的观察窗，所述试验材料箱内根据试验需求装入不同种类和比例的盾构机刀具室内碰撞试验所需材料。

优选地，所述模型刀盘包括中心圆板、刀盘辐条、刀盘环架和可装卸面板，所述中心圆板与刀盘环架通过四根刀盘辐条焊接在一起，四根刀盘辐条成十字形布置，可装卸面板通过螺栓与中心圆板和刀盘环架连接，所述中心圆板背面焊接刀盘连接座，该刀盘连接座与推进中心轴承栓接，所述模型刀具根据试验需求改变模型刀具的倒角、刃角和刃宽等形状参数及模型刀具的硬度。

优选地，所述数据采集系统包括高速摄像机、应变片或者应变花，所述高速摄影机用来观测并记录模型刀具碰撞时的物理现象，所述应变片或者应变花用来监测模型刀具碰撞瞬间的受力，所述应变片或者应变花根据需求贴于模型刀具的不同位置。

优选地，所述传输系统包括近模型刀具端导线、导电滑轮和远端导线；所述近模型刀具端导线与应变片或者应变花相连，贴于模型刀具、模型刀盘下端、模型刀盘开口及控制轴承上，与导电滑环内圈相连接；所述导电滑环安装在控制轴承上，所述导电滑环内圈与所述近模型刀具端导线相连，两者同时随模型刀盘、模型刀具及控制轴承转动，所述导电滑环的外圈与远端导线相连，远端导线与应变仪相连。

优选地，所述数据监测装置包括转速传感器、应变仪和数据分析仪，所述转速传感器监测模型刀盘的转速情况，所述应变仪通过远端导线与导电滑环的外圈相连，所述应变仪通过数据线与数据分析仪相连；

所述plc控制系统设有触控装置，通过触控装置设定模型刀盘的转速、掘进速度和推进力，设定完成后将设置信息传递至液压系统，液压系统根据接收到的设置信息调节液压驱动马达和推进油缸控制模型刀盘的转动与推进。

根据本发明的另一个方面，提供了一种进行盾构机刀具室内碰撞试验的方法，所述方法包括如下步骤：

a、根据试验需求在试验材料箱内装入不同种类和比例的模拟岩土体，根据不同地层条件选择不同的模拟岩土体，对所述模拟岩土体进行压实、固结处理；

b、根据试验需求选择模型刀盘与模型刀具，对模型刀具进行称重，记录模型刀具的初始重量；

d、通过plc控制系统设定模型刀盘的初始转速与推进速度，控制模型刀盘转动速度由慢到快，最终达到发生碰撞现象所需的转速，以此进行模型刀具的模拟碰撞；

e、试验过程中，观察推进液压油缸压力，当油缸压力大于设定压力阈值时，停止模型刀盘的转动，并向上提起模型刀盘，对试验材料箱内由模型刀具破岩产生的碎屑进行清理，清理完毕后控制模型刀盘再次进行转动与推进；

f、试验完成后，采集到模型刀具的推进距离、时间、转速和扭矩参数，将模型刀具卸下清洗完毕后称重，通过计算得到模型刀具的磨损量；

g、通过plc控制系统采集记录试验数据进行处理、分析；

h、根据不同的试验需求，改变试验条件，进行重复试验。

优选地，所述的方法还包括：在所述盾构机刀具室内碰撞试验过程中监测模型刀具的受力情况，具体包括以下步骤：

a、根据试验需求对模型刀具表面进行处理，清理表面油漆、氧化层和污垢，用细砂布磨光，将高速摄像机的镜头对准观察窗；

b、使用胶水将应变片或者应变花贴于模型刀具的相应位置，待胶水固化后，将应变片或者应变花与近模型刀具端导线的一端焊接在一起；

c、使用胶水将导线与模型刀具、模型刀盘粘在一起，中间不留空隙，导线从模型刀盘中穿过；

d、将近模型刀具端导线的另一端与导电滑环的内圈相连接；

e、将导电滑环的外圈与远端导线相连接，远端导线的另一端与应变仪相连接；

f、使用数据线将应变仪与数据分析仪相连接；

g、启动盾构机刀具室内碰撞试验设备，进行盾构机刀具室内碰撞试验，在试验过程中，高速摄像机记录模型刀具碰撞时的图像，应变片或者应变花将其所在位置的受力情况传输到应变仪中，将应变仪中的数据导入数据分析仪中进行观测及处理；

h、改变应变片或者应变花的粘贴位置，测量模型刀具不同位置的受力情况，进行重复检测。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例可以观测并记录模型刀具碰撞瞬间的物理现象，可探究盾构刀具碰撞的力学模型及碰撞对刀具的影响，为盾构刀具碰撞机理与碰撞破坏的研究提供科学依据。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种进行盾构机刀具室内碰撞试验的装置的结构示意图；

其中1-试验台架，2-动力及传力系统，3-试验材料箱，4-模型刀盘，5-模型刀具，6-应变花或者应变片，7-高速摄像机，8-有机玻璃观察窗，9-导电滑环，10-应变仪，11-数据分析仪，12-plc控制系统。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明的实施例提供的一种进行盾构机刀具室内碰撞试验的装置的结构如图1所示，该装置包括：试验台架1、动力及传力系统2、试验材料箱3、模型刀盘4及模型刀具5、数据采集系统、传输系统、数据监测系统与plc(programmablecontroller，可编程控制器)控制系统。

所述试验台架1由四根圆柱形立柱、上顶板、限位活动板、底板、液压驱动马达固定支架和底座组成，其中，四根圆柱形立柱用于固定上顶板、限位活动板和底板，立柱上端为阶梯型，用于上顶板的安装，上顶板中部留有一圆孔，为推进中心轴承的竖向运动提供空间，液压驱动马达固定支架焊接于限位活动板上，底板用于固定试验材料箱。

所述动力及传力系统2分为转动装置与推进装置，转动装置由液压驱动马达驱动，液压驱动马达与固定支架通过螺栓连接，在液压驱动马达的推动下，实现模型刀盘的转动。推进装置由两个规格相同的推进液压油缸控制，液压油缸两端分别与顶板和限位活动板栓接在一起，由液压油缸的伸缩带动限位活动板与中心轴承竖向移动，实现模型刀盘的推进。

所述的两个推进液压油缸，规格相同，通过液压油管与液压系统相连，两个推进液压油缸油管的进出油保持同步，以保证掘进装置不发生偏转。

所述试验材料箱3为圆筒形，固定安装在试验台架1的底板上。试验材料箱3整体为合金，一侧开口，安装有机玻璃材质的观察窗8，试验材料箱3内可根据试验需求装入不同种类和比例的盾构机刀具室内碰撞试验所需材料，这些材料包括卵砾石、水泥砂浆块和混凝土块等，每次试验结束后，可将试验材料箱3拆除，便于试验材料的更换。

所述模型刀盘4由中心圆板、刀盘辐条、刀盘环架和可装卸面板组成，其中，中心圆板与刀盘环架通过四根刀盘辐条焊接在一起，四根刀盘辐条成十字形布置，可装卸面板通过螺栓与中心圆板和刀盘环架连接。

优选地，所述中心圆板背面焊接刀盘连接座，可与推进中心轴承栓接。

优选地，所述模型刀具5可根据试验需求改变模型刀具的倒角、刃角、刃宽等形状参数及模型刀具的硬度。

所述数据采集系统包括高速摄像机7、应变片或者应变花6，高速摄影机7通过观察窗8可以观测并记录模型刀具碰撞时的物理现象，应变片或者应变花6用来监测模型刀具碰撞瞬间的受力。上述应变片或者应变花6可以根据需求贴于模型刀具的不同位置以实时监测模型刀具碰撞时不同位置的受力。

所述传输系统包括近模型刀具端导线、导电滑轮9及远端导线组成。近模型刀具端导线与应变片或者应变花6相连，密贴于模型刀具5、模型刀盘4下端、模型刀盘4开口及控制轴承上，与导电滑环9内圈相连接，导电滑环9安装在控制轴承上，内圈与近模型刀具5端导线相连，两者同时随模型刀盘4、模型刀具5及控制轴承转动，外圈与远端导线相连，远端导线与应变仪10相连。导电滑环9可以保证滑环外圈及其所连接的导线不随控制轴承的转动而转动。

所述数据监测装置包括转速传感器、应变仪10和数据分析仪11，其中转速传感器可以监测模型刀盘4的转速情况，应变仪10通过远端导线与导电滑环9的外圈相连，应变仪10通过数据线与数据分析仪11相连。

所述数据采集系统和所述数据监测系统通过传输系统与plc控制系统相连，所述plc控制系统12设有触控装置，通过触控设定模型刀盘4转速、掘进速度和推进力，设定完成后将设置信息传递至液压系统，液压系统根据接收到的设置信息调节液压驱动马达和推进油缸控制模型刀盘的转动与竖向运动，实现模型刀盘4的快速转动并保证试验过程中碰撞现象的发生。

基于图1所示的装置，本发明实施例提供的一种进行盾构机刀具室内碰撞试验的方法的处理流程包括如下步骤：

a、根据试验需求在试验材料箱3内装入不同种类和比例的模拟岩土体，根据不同地层条件，可选择的模拟岩土体包括卵砾石、水泥砂浆块和混凝土试块，之后对有需要的岩土体进行压实、固结等工序；

b、根据试验需求选用合适的模型刀盘4与模型刀具5组合，对模型刀具5进行称重，记录模型刀具5的初始重量；

d、通过plc控制系统设定模型刀盘的初始转速与推进速度，控制模型刀盘转动速度由慢到快，最终达到产生碰撞现象所需的转速，进行模型刀具5模拟碰撞；

e、试验过程中，注意观察推进液压油缸压力，当油缸压力急剧增大，大于设定压力阈值时，停止模型刀盘的转动，并向上提起模型刀盘4，对试验材料箱3内由模型刀具5破岩产生的碎屑进行清理，清理完毕后控制模型刀盘再次进行转动与推进；

f、试验完成后，采集到推进距离、时间、转速、扭矩等参数，将模型刀具5卸下清洗完毕后称重，通过计算得到磨损量；

g、根据plc系统12采集记录试验数据进行处理、分析；

h、根据不同的试验需求，改变试验条件，进行重复试验。

本发明实施例还提供了一种在盾构机刀具室内碰撞试验进行时监测模型刀具受力情况的试验方法，包括以下步骤：

a、根据试验需求对模型刀具5上将贴应变片或者应变花6的位置表面进行处理，清理表面油漆、氧化层和污垢，然后用细砂布磨光，清理高速摄像机7的镜头，将高速摄像机7的镜头对准观察窗8；

b、使用胶水将应变片或者应变花6贴于模型刀具的相应位置，待胶水固化后，将应变片或者应变花6与近模型刀具端导线的一端焊接在一起；

c、使用胶水将导线与模型刀具5、模型刀盘4粘在一起，中间不留空隙，导线从模型刀盘4中穿过后，使用胶带将导线与控制轴承贴牢；

d、将近模型刀具端导线的另一端与导电滑环9的内圈相连接；

e、将导电滑环9的外圈与远端导线相连接，远端导线的另一端与应变仪10相连接；

f、使用数据线将应变仪10与数据分析仪11相连接；

g、启动盾构机刀具室内碰撞试验设备，进行盾构机刀具室内碰撞试验，在试验过程中，高速摄像机7会记录模型刀具碰撞时的图像，应变片或者应变花6会将其所在位置的受力情况传输到应变仪10中，将应变仪10中的数据导入数据分析仪11中进行观测及处理；通过对应变仪中的数据进行处理，可以得到模型刀具所测部位的应力应变值，得到模型刀具碰撞时的受力情况。

h、改变应变片或者应变花6的粘贴位置，监测模型刀具不同位置的受力情况，进行重复检测。

综上所述，本发明实施例通过试验的方式探究了盾构刀具在掘进过程中可能出现的碰撞现象，通过高速摄像机的拍摄，可以观测并记录模型刀具碰撞瞬间的物理现象，通过监测模型刀具碰撞瞬间的受力情况，可探究盾构刀具碰撞的力学模型，并探究碰撞对刀具损坏的影响，是一种研究刀具碰撞对刀具损坏的影响及其力学模型的有效方法，为盾构刀具碰撞机理与碰撞破坏的研究提供了科学依据。

本发明可以进行盾构机刀具室内碰撞试验的模拟，同时通过数据监测系统对模型刀具各个部位碰撞时的瞬时受力情况进行实时监测，可建立刀具碰撞力学模型，研究刀具碰撞损伤的机理及影响因素，为施工过程中可能出现刀具碰撞的盾构工程提出合理的建议以减少或避免因碰撞而发生的刀具损坏，为合理预测刀具破坏，控制和减少刀具碰撞损坏提供科学依据。本发明制作成本低，操作简单，可广泛应用于室内试验。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。