一种结构可调整的盾构刀具磨损试验模型刀盘制造技术

本发明专利技术提供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。所述中心轴与模型刀盘通过多体连接件连接且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且上部中心设有第二通道，所述边缘刀圈呈环状布置于刀盘辐条的外周部。所述模型刀盘整体结构可拆卸，辐条数量和面板规格可调整，刀座位置和数量可变更，刀具形状和数量可修正。本发明专利技术基于“结构可调整性”的设计理念，能够准确地模拟不同类型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，具有良好的普遍适应性。 1

【技术实现步骤摘要】
一种结构可调整的盾构刀具磨损试验模型刀盘
本专利技术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。
技术介绍
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：中国专利技术专利CN106441751A和中国技术专利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：中国专利技术专利CN102901685A和中国技术专利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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，本专利技术采用以下技术方案：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”。本专利技术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，本专利技术具有的有益效果为：①本专利技术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为本专利技术的面部结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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，其特征在

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于：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)，所述中心轴(1)与模型刀盘通过多体连接件(2)连接且所述中心轴(1)内沿轴线设有第一通道(11)，所述刀盘辐条(3)沿中心轴(1)径向布置，所述边缘刀圈(6)呈环状布置于刀盘辐条(3)的外周部；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)，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。2.根据权利要求1所述的一种结构可调整的盾构刀具磨损试验模型刀盘，其特征在于：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。3.根据权利要求2所述的一种结构可调整的盾构刀具磨损试验模型刀盘，其特征在于：所述刀盘面板(7)安装于刀盘辐条(3)上的面板安装槽(33)中，面板刀座(43)横截面为“T”字形且固定安装于所述刀盘面板(26)上。4.根据权利要求3所述的一种结构可调整的盾构刀具磨损试验模型刀盘，其特征在于：所述试验刀具(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...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐少辉，张晓平，李方毅，陈鹏，孙茂舟，涂新斌，唐建清，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42