一种多功能微型隧道掘进模型试验系统技术方案

本发明专利技术涉及一种多功能微型隧道掘进模型试验系统，包括试验平台、泥浆循环系统、微型隧道掘进机和动力控制系统。试验平台上端固定有微型隧道掘进机行进导轨、控制系统工作箱、推进动力驱动马达；泥浆循环系统可实现泵送泥浆或润滑剂、排出废浆和检测泥浆压力等功能；微型隧道掘进机由连接部分、管片部分和机头部分组成，可通过增设管片部分调节掘进长度，机头部分前端设有刀盘用以开挖岩土体，机头部分后端半径略小于前端、用以模拟地层损失；动力控制系统用以控制微型隧道掘进机掘进方向和速率、刀盘转动方向和速率。本发明专利技术各部分功能相对独立，可扩展性强，通过增减相关部件即可模拟不同隧道掘进机的工作状态，满足隧道开挖模拟的科研需要。

A multifunctional model test system for tunneling

The invention relates to a multifunctional miniature tunneling model test system, which comprises an experimental platform, a slurry circulation system, a micro tunnel boring machine and a power control system. The test platform is fixed on the upper end of a miniature road tunnel boring machine guide, control system, propulsion motor drive box; mud circulation system can realize pumping mud or lubricant, discharged waste slurry and mud pressure detection function; micro TBM by connection parts, pipe piece part and the head part, by adding some segments adjust the driving length, the head part is arranged at the front end of the cutter is used for excavation of rock and soil, the head part is slightly smaller than the radius of the front end, is used to simulate the soil loss; power control system used to control the micro TBM boring cutter rotation direction and speed, direction and speed. The functions of each part of the invention are relatively independent, and the expansibility is strong, and the working state of different tunnel boring machines can be simulated by increasing or decreasing relevant components so as to satisfy the scientific research requirement of tunnel excavation simulation.

【技术实现步骤摘要】
一种多功能微型隧道掘进模型试验系统
本专利技术涉及一种隧道掘进模型试验系统，特别涉及一种多功能微型隧道掘进模型试验系统。
技术介绍
目前，隧道掘进机已经在各类隧道开挖中广泛使用。近年来，城市地铁隧道、市政给排水隧道、山岭铁（公）路隧道的建设对隧道掘进机的需求越来越大，随之而来是更多的问题有待解决。特别是面对一些难度较大的工程，理论分析和数值分析都无法考虑实际的复杂情况，此时必须借助室内试验的手段，对实际工程进行模拟。目前，比较常用的隧道掘进试验主要分为两种形式：利用对称性原理的半圆形隧道模型以及圆形隧道模型。半圆形隧道模型不具备开挖刀具，一般采用挡板的前进或后退来模拟隧道开挖对开挖面的作用；圆形隧道模型大多也不具备开挖刀具，通常采用气囊或挡板模拟开挖。上述开挖方式的问题在于只能模拟开挖面压力的变化，不能模拟掘进机开挖的全过程以及刀盘旋转对开挖面的作用。少部分圆形隧道模型设计有刀盘，可进行机械开挖，但刀盘制作通常较为简化且不可替换，掘进机模型所能实现的功能比较单一，可扩展性低。为了提高试验效率及控制时间、经济成本，急需一种既能够模拟真实隧道开挖，又能够实现功能多样化的多功能微型隧道掘进模型试验系统，以满足日益复杂的隧道掘进模拟科研需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是改善现有隧道掘进模型试验机的不足，提供一种可模拟实际隧道掘进机开挖且功能可扩展的多功能微型隧道掘进模型试验系统，使其能够满足隧道掘进模拟的科研需求，且降低试验的时间及经济成本。本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种多功能微型隧道掘进模型试验系统，包括实验平台、微型隧道掘进机、泥浆循环系统和动力控制系统；其中：所述实验平台由铝合金方管型材梁柱装配而成，铝合金方管型材梁柱通过螺栓和连接件组成框架结构；所述实验平台下部四角带有调平螺栓和锚固定件；所述实验平台上表面固定有预打孔的平台钢板；所述实验平台侧面固定有动力控制系统上的工作箱；所述平台钢板上固定有动力控制系统上的推进动力系统和附属拍照设备；所述动力控制系统包括推进动力控制系统、转动动力控制系统和控制箱，所述推进动力控制系统用以调节所述的微型隧道掘进机的前进速率和方向；所述转动动力控制系统用以调节所述的刀盘的旋转速率和方向；所述控制箱通过调节所述的微型隧道掘进机的推进状态以满足不同开挖需求。所述推进动力控制系统包括导轨、螺纹传动钢轴、驱动马达、马达齿轮、传动皮带、钢轴齿轮、支座板、箍爪、螺纹箍以及轴力应变片，马达齿轮固定于驱动马达上，钢轴齿轮固定于螺纹传动钢轴一端，马达齿轮与钢轴齿轮通过第一传动皮带连接，驱动马达通过第一传动皮带带动螺纹传动钢轴转动；螺纹箍抱箍在螺纹传动钢轴上，螺纹传动钢轴通过螺纹驱动螺纹箍作前后运动；螺纹箍及箍爪均固定于支座板上，当螺纹箍运动时，可带动支座板作前后运动，箍爪抱箍在导轨上，为支座板运动提供导向；螺纹传动钢轴与钢轴齿轮固定处预埋有轴力应变片，所述轴力应变片连接应变采集器，用以测量推进过程中螺纹传动钢轴的轴力；所述转动动力系统包括驱动马达、马达齿轮、第二传动皮带、刀盘齿轮、刀盘传动轴、固定螺栓以及刀盘；第二驱动马达通过固定螺栓固定于闭口封板或开口封板上，第二马达齿轮固定在第二驱动马达上，刀盘齿轮固定在传动轴一端上，第二驱动马达通过皮带连接传动轴，传动轴另一端上固定有刀盘，第二驱动马达通过皮带带动传动轴，进而带动固定在传动轴上的刀盘转动切削土体；所述微型隧道掘进机包括不锈钢盾壳，不锈钢盾壳包括连接部分、管片部分和机头部分，连接部分由第一不锈钢壳体和连接肋焊接成整体，连接肋底座通过螺栓固定于支座板上；机头部分包括第二不锈钢壳体、封板，第二不锈钢壳体与封板通过螺栓连接；封板上部开有第一螺栓孔，用以与转动动力控制系统相连；周围开有第二螺栓孔，用以与不锈钢盾壳相连；封板中心开有中轴孔，用以固定刀盘传动轴；所述的泥浆循环系统包括恒压泵、泥浆池、废浆池、进浆管、进浆压力表、出浆管及出浆压力表，进浆管末端与注浆孔相连，进浆管开端伸入泥浆池内，进浆管连接恒压泵，出浆管开端与出浆孔相连，出浆管末端伸入废浆池，恒压泵通过进浆管将新鲜泥浆以一定的压力送入开挖面，开挖面的废泥浆通过出浆管排出至废浆池，进浆管和出浆管上分别设有进浆压力表和出浆压力表，用于监测进出泥浆压力。本专利技术中，所述封板为开口封板或闭口封板，开口封板即有出土口，闭口封板即无出土口。本专利技术中，所述闭口封板上开有注浆孔和出浆孔，注浆孔用于向开挖面注入新鲜泥浆，出浆孔用于向外排出废浆，所述的进浆管末端与所述的闭口封板进浆孔相连，所述的出浆管始端与所述的闭口封板出浆孔相连。本专利技术中，所述开口封板上开有注浆孔和出土口，注浆孔用于向开挖面注入新鲜泥浆，出土口用于向外排出土，所述的进浆管末端与所述的开口封板进浆孔相连。本专利技术中，控制箱上设包括推进速率控制旋钮、第一电源总开关（急停按钮）、前进按钮、停止按钮、后退按钮、刀盘转速控制旋钮、第二电源总开关（急停按钮）、正转按钮、停止按钮和逆转按钮。本专利技术中，通过控制箱调节所述的微型隧道掘进机的速率、前进方向和刀盘的旋转速率、方向实现其推进-正转、原地-正转、推进-反转、原地-反转、后退-正转、后退-反转等状态，以实现不同隧道掘进模拟需求；如遇微型隧道掘进机卡机，可采用原地-正转、原地-反转、后退-正转、后退-反转等状态解困。本专利技术中，所述的封板预开多种功能孔，以实现进浆、出浆、出土、固定等作用。本专利技术中，包含一套多用途泥浆循环系统。模拟泥水平衡盾构时，从泥浆池泵送新鲜泥浆至开挖面以维持其稳定性、排出废浆至废浆池；模拟土压平衡盾构时，取消废浆池及出浆管，更换泥浆为润滑剂，向开挖面泵送润滑剂；模拟岩石隧道掘进时，取消泥浆循环系统。本专利技术中，所述的微型隧道掘进机前端半径略大与其他部分，用以模拟盾尾脱出所产生的地层损失。根据上述技术方案，本专利技术具有以下优点：1.本专利技术所述的微型隧道掘进机具有真实盾构机的关键性功能：前端的刀盘可进行机械开挖，机头部分可模拟盾尾脱离产生的地层损失，可以模拟土压平衡盾构，借助泥浆循环系统还可模拟泥水平衡盾构，通过更换不同类型刀盘用以适应不同地层条件下的开挖；2.采用模块化设计，各功能模块均相对独立，方便日后的维护保养及功能拓展；3.尽量采用标准件组装，缩短了设计和制作周期，降低了制造和维护成本；4.自动化程度高，除模拟土压平衡盾构时需要人工出土，其余试验步骤都可以通过按钮控制，降低了试验人员的劳动强度。附图说明图1为多功能微型盾构隧道模型试验系统总方案示意图；图2为实验平台及推进动力系统方案示意图，其中：(a)为侧视图，(b)为俯视图；图3为不锈钢盾壳组成方案示意图；图4为连接部分方案示意图；其中：(a)为侧视图，(b)为俯视图；图5为管片部分方案示意图；其中：(a)为侧视图，(b)为俯视图；图6为机头部分方案示意图，其中：(a)为侧视图，(b)为开口封板，(c)为闭口封板；图7为转动动力系统方案示意图，其中：(a)为侧视图，(b)为左视图；图8为泥浆循环系统方案示意图；图9为动力控制系统方案示意图，其中：(a)为控制箱固定方案示意图，(b)为控制系统按钮方案示意图。图中标号：1试验平台，2微型隧道掘进机，3泥浆循环系统，4动力控制系统，5铝合金方管型材梁柱，6连接件，７平本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多功能微型隧道掘进模型试验系统，其特征在于，包括实验平台、微型隧道掘进机、泥浆循环系统和动力控制系统；其中：所述实验平台由铝合金方管型材梁柱装配而成，铝合金方管型材梁柱通过螺栓和连接件组成框架结构；所述实验平台下部四角带有调平螺栓和锚固定件；所述实验平台上表面固定有预打孔的平台钢板；所述实验平台侧面固定有动力控制系统上的工作箱；所述平台钢板上固定有动力控制系统上的推进动力系统和附属拍照设备；所述动力控制系统包括推进动力控制系统、转动动力控制系统和控制箱，所述推进动力控制系统用以调节所述的微型隧道掘进机的前进速率和方向；所述转动动力控制系统用以调节所述的刀盘的旋转速率和方向；所述控制箱通过调节所述的微型隧道掘进机的推进状态以满足不同开挖需求；所述推进动力控制系统包括导轨、螺纹传动钢轴、驱动马达、马达齿轮、传动皮带、钢轴齿轮、支座板、箍爪、螺纹箍以及轴力应变片，马达齿轮固定于驱动马达上，钢轴齿轮固定于螺纹传动钢轴一端，马达齿轮与钢轴齿轮通过第一传动皮带连接，驱动马达通过第一传动皮带带动螺纹传动钢轴转动；螺纹箍抱箍在螺纹传动钢轴上，螺纹传动钢轴通过螺纹驱动螺纹箍作前后运动；螺纹箍及箍爪均固定于支座板上，当螺纹箍运动时，可带动支座板作前后运动，箍爪抱箍在导轨上，为支座板运动提供导向；螺纹传动钢轴与钢轴齿轮固定处预埋有轴力应变片，所述轴力应变片连接应变采集器，用以测量推进过程中螺纹传动钢轴的轴力；所述转动动力系统包括驱动马达、马达齿轮、第二传动皮带、刀盘齿轮、刀盘传动轴、固定螺栓以及刀盘；第二驱动马达通过固定螺栓固定于闭口封板或开口封板上，第二马达齿轮固定在第二驱动马达上，刀盘齿轮固定在传动轴一端上，第二驱动马达通过皮带连接传动轴，传动轴另一端上固定有刀盘，第二驱动马达通过皮带带动传动轴，进而带动固定在传动轴上的刀盘转动切削土体；所述微型隧道掘进机包括不锈钢盾壳，不锈钢盾壳包括连接部分、管片部分和机头部分，连接部分由第一不锈钢壳体和连接肋焊接成整体，连接肋底座通过螺栓固定于支座板上；机头部分包括第二不锈钢壳体、封板，第二不锈钢壳体与封板通过螺栓连接；封板上部开有第一螺栓孔，用以与转动动力控制系统相连；周围开有第二螺栓孔，用以与不锈钢盾壳相连；封板中心开有中轴孔，用以固定刀盘传动轴；所述的泥浆循环系统包括恒压泵、泥浆池、废浆池、进浆管、进浆压力表、出浆管及出浆压力表，进浆管末端与注浆孔相连，进浆管开端伸入泥浆池内，进浆管连接恒压泵，出浆管开端与出浆孔相连，出浆管末端伸入废浆池，恒压泵通过进浆管将新鲜泥浆以一定的压力送入开挖面，开挖面的废泥浆通过出浆管排出至废浆池，进浆管和出浆管上分别设有进浆压力表和出浆压力表，用于监测进出泥浆压力。...

【技术特征摘要】
1.一种多功能微型隧道掘进模型试验系统，其特征在于，包括实验平台、微型隧道掘进机、泥浆循环系统和动力控制系统；其中：所述实验平台由铝合金方管型材梁柱装配而成，铝合金方管型材梁柱通过螺栓和连接件组成框架结构；所述实验平台下部四角带有调平螺栓和锚固定件；所述实验平台上表面固定有预打孔的平台钢板；所述实验平台侧面固定有动力控制系统上的工作箱；所述平台钢板上固定有动力控制系统上的推进动力系统和附属拍照设备；所述动力控制系统包括推进动力控制系统、转动动力控制系统和控制箱，所述推进动力控制系统用以调节所述的微型隧道掘进机的前进速率和方向；所述转动动力控制系统用以调节所述的刀盘的旋转速率和方向；所述控制箱通过调节所述的微型隧道掘进机的推进状态以满足不同开挖需求；所述推进动力控制系统包括导轨、螺纹传动钢轴、驱动马达、马达齿轮、传动皮带、钢轴齿轮、支座板、箍爪、螺纹箍以及轴力应变片，马达齿轮固定于驱动马达上，钢轴齿轮固定于螺纹传动钢轴一端，马达齿轮与钢轴齿轮通过第一传动皮带连接，驱动马达通过第一传动皮带带动螺纹传动钢轴转动；螺纹箍抱箍在螺纹传动钢轴上，螺纹传动钢轴通过螺纹驱动螺纹箍作前后运动；螺纹箍及箍爪均固定于支座板上，当螺纹箍运动时，可带动支座板作前后运动，箍爪抱箍在导轨上，为支座板运动提供导向；螺纹传动钢轴与钢轴齿轮固定处预埋有轴力应变片，所述轴力应变片连接应变采集器，用以测量推进过程中螺纹传动钢轴的轴力；所述转动动力系统包括驱动马达、马达齿轮、第二传动皮带、刀盘齿轮、刀盘传动轴、固定螺栓以及刀盘；第二驱动马达通过固定螺栓固定于闭口封板或开口封板上，第二马达齿轮固定在第二驱动马达上，刀盘齿轮固定在传动轴一端上，第二驱动马达通过皮带连接传动轴，传动轴另一端上固定有刀盘，第二驱动马达通过皮带带动传动轴，进而带动固定在传动轴上的刀盘转动切削土体；所述微型隧道掘进机包括不锈钢盾壳，不锈钢盾壳包括连接部分、管片部分和机头部分，连接部分由第一不锈钢壳体和连接肋焊接成整体，连接肋底座通过螺栓固定于支座板上；机头部分包括第二不锈钢壳体、封板，第二不锈钢壳体与封板通过螺栓连接；封板上部开有第一螺栓孔，用以与转动动力控制系统相连；周围开有第二螺栓孔，用以与不锈钢盾壳相连；封板中心开有中轴孔，用以固定刀盘传动轴；所述的泥浆循环系统包...

【专利技术属性】
技术研发人员：张子新，李佳宇，王帅峰，黄昕，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31