模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于岩土施工模拟技术领域，提供一种模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置及方法。其中，模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置包括垂向力加载机构与主体框架的顶板相连，垂向力加载机构的尾端与多模式刀座相连，并向多模式刀座提供垂向切割力；切向力加载机构与主体框架的底板相连，切向力加载机构的尾端多模式刀座相连，并向多模式刀座提供切向力；主体框架用于承担在破岩过程中的所有切割反力；多功能试样箱采用可拆卸、组合式设计，能实现试验台空间内任意尺度试样的固定与定位，且允许夹持面具有一定的切斜和缺陷；岩箱具有角度调整功能，可根据实验需求对试样安装角度进行调整，以真实模拟掘进机破岩时的刀具受力状态。机破岩时的刀具受力状态。机破岩时的刀具受力状态。

【技术实现步骤摘要】
模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置及方法


[0001]本专利技术属于岩土施工模拟
，尤其涉及一种模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置及方法。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]隧道工程被广泛应用于铁路、公路、城市轨道交通、长距离调水等领域建设中。隧道掘进机具有自动化程度高，掘进速度快等优势，已成为城市隧道开挖优先选用的施工装备。然而随着城市建筑物密集程度增加和地下空间不断开发，隧道掘进机遭遇既有建筑物(尤其是桩基)的情况不断发生，给隧道施工带来了新的挑战。当隧道掘进机遭遇地下建筑物时，调整线路、原地拔桩、竖井凿桩、开仓爆破等传统方法可以实施穿越，但随之带来的是成本高、工期长、扰动大等一系列问题；而且，在城市建筑密集区、市内交通干线等复杂环境下，地面、地下工程条件并不支持上述方法的实施，必须直面强行破障穿越的难题。因此探究隧道掘进机刀具破岩状态是亟需开展的关键问题。
[0004]隧道掘进机是大型的复杂设备，且对地质有很强针对性，地质条件影响隧道掘进机的结构形式和性能参数。现有的数学和力学模型难以精确描述各个因素对刀具破岩效率的影响。且隧道施工现场环境恶劣，通过施工现场进行试验需要承担巨大的安全风险和经济代价。因此，搭建破岩试验台进行室内试验，全面深入地探究隧道掘进机各类刀具与岩土的相互作用机理，厘清影响破岩的主控因素，揭示隧道掘进机刀具破岩机制，建立隧道掘进机高效破岩方法，具有重要的工程实际意义。
[0005]现有试验台主要分为线性切割试验台和带有旋转试验台两种，但其在研究工作存在一些局限性：
[0006](1)在实际掘进过程中，刀具与前方掌子面岩石接触并不是垂直接触，一般情况下受到岩石形状影响导致刀具与岩石接触角度发生变化，本试验平台设计了试样箱，不仅能用于安装模拟滚刀破岩的岩石试样，还能安装模拟贝壳刀破桩的钢筋混凝土试样，试样箱具备角度调整功能，进而真实模拟隧道掘进机破岩时刀具与试样的倾角变化，还原掘进施工状态。现有大多试验台不具备此功能，如专利“一种可模拟刀盘各位置刀具行为的试验台”(专利号：CN201911412809.4)，解决了现有技术中线性切割试验台无法模拟各种安装半径刀具在掘进时的工况的问题，但未考虑刀具与试样间的倾角变化。
[0007](2)现有试验台岩箱一般为固定结构，对试样尺寸要求严格，过大或者过小都难以实现安装和定位，同时要求试样夹持面具有一定的平行度以便于夹持。本公开的试验平台岩箱才用可拆卸、组合式设计，能满足试验台空间内各种尺度试验的夹持和定位，且夹持机构采用丝杠和挡板结构，允许夹持面一定的倾斜或不均匀，对试样的要求小，现有试验台大多不具备此功能。

技术实现思路

[0008]为了解决上述
技术介绍
中存在的技术问题，本专利技术提供一种模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置及方法，其目的在于建立室内线性切割试验平台，用于研究隧道掘进机不同刀具的破岩规律、揭示不同刀具破岩机制、建立隧道掘进机高效破岩方法。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0010]本专利技术的第一个方面提供了一种模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置。
[0011]一种模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置，其包括：主体框架、垂向力加载机构、多模式刀座、切向力加载机构和试样箱；
[0012]所述垂向力加载机构与主体框架的顶板相连，所述垂向力加载机构的尾端与所述多模式刀座相连，并向多模式刀座提供垂向切割力；
[0013]所述切向力加载机构与主体框架的底板相连，所述切向力加载机构的尾端所述多模式刀座相连，并向多模式刀座提供切向力；
[0014]所述主体框架用于承担在破岩过程中的所有切割反力；
[0015]所述试样箱设置在主体框架的底板与多模式刀座之间，所述试样箱可根据试验需求对试样安装角度进行调整，以真实模拟掘进机破岩时的刀具受力状态。
[0016]作为一种实施方式，所述主体框架包括顶板、侧面支撑板、底板和减震垫铁，所述底板设置在减震垫铁上，侧面支撑板与底板固定连接，顶板安装在侧面支撑板上侧。
[0017]上述技术方案的优点在于，一方面减震垫铁用于减小试验台震动，另一方面减震垫铁用于试验台底面找平。
[0018]作为一种实施方式，所述垂向力加载机构，包括：垂向力驱动机构、刀座导向板、多分量传感器和竖向导轨；
[0019]所述刀座导向板一端连接垂向力驱动机构，另一端连接多分量传感器；所述多分量传感器用于实时检测刀具破岩过程中的垂向力、切向力以及侧向力；所述竖向导轨固定在主体框架的侧面支撑板上，所述竖向导轨通过第一滑块与垂向力加载机构相连接。
[0020]作为一种实施方式，所述垂向力驱动机构为垂向加载油缸，所述垂向加载油缸安装在主体框架的顶板处，油缸活塞杆固定在刀座导向板处，当垂向油缸工作时，活塞杆带动刀座导向板竖向运动，用于提供垂向力。
[0021]作为一种实施方式，所述多模式刀座包括：贝壳刀、贝壳刀安装座、滚刀及滚刀安装座；
[0022]所述贝壳刀安装座一端与贝壳刀相连接，另一端与多分量传感器连接；
[0023]所述滚刀安装座一端与滚刀相连接，另一端也与多分量传感器连接。
[0024]作为一种实施方式，所述切向力加载机构包括：切向力驱动机构和切向导轨；
[0025]所述切向力驱动机构用于驱动试样箱沿切向运动，以提供破岩切向力；所述切向导轨固定在主体框架的底板处，所述试样箱与所述切向导轨通过第二滑块相连接。
[0026]作为一种实施方式，所述切向力驱动机构为切向力加载油缸，所述切向加载油缸安装在主体框架的底板处，油缸活塞杆固定在试样箱处，当切向力加载油缸工作时，活塞杆带动试样箱沿切向运动，用于提供破岩切向力。
[0027]作为一种实施方式，所述试样箱包括：试样箱本体和岩样夹持机构；
[0028]所述第二滑块安装在试样箱本体的底板下端，试样箱本体的底板与切向导轨通过第二滑块相连接；
[0029]所述试样底板上端开设多条通长T型槽，T型槽内置螺栓，螺栓另一侧通过螺母将岩样夹持机构锁紧，实现岩样夹持机构的位置调整与固定。
[0030]作为一种实施方式，试样定位与安装，所述多功能试样箱通过调整岩样夹持机构切向距离，能适应试验台空间内任意尺寸试验的夹持与定位，且允许试样夹持面具有一定倾斜和缺陷；
[0031]作为一种实施方式，所述试样夹持机构包括切向前挡板和切向后挡板，所述切向前挡板和切向后挡板上开设曲形长条孔，并安装在所述试样切向两侧，所述挡板设有两道锁紧机构，以确保试验过程中试样不会发生位置移动。
[0032]作为一种实施方式，所述两道锁紧机构包括第一道锁紧机构和第二道锁紧机构，所述第一道锁紧机构包括丝杠及其两端的螺母，所述丝杠穿过切向前挡板和切向后挡板对应的曲形长条孔，两端采用螺母锁紧，通过螺母预紧力形成第一道锁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置，其特征在于，包括：主体框架、垂向力加载机构、多模式刀座、切向力加载机构和试样箱；所述垂向力加载机构与主体框架的顶板相连，所述垂向力加载机构的尾端与所述多模式刀座相连，并向多模式刀座提供垂向切割力；所述切向力加载机构与主体框架的底板相连，所述切向力加载机构的尾端所述多模式刀座相连，并向多模式刀座提供切向力；所述主体框架用于承担在破岩过程中的所有切割反力；所述试样箱设置在主体框架的底板与多模式刀座之间，所述试样箱可根据试验需求对试样安装角度进行调整，以真实模拟掘进机破岩时的刀具受力状态。2.如权利要求1所述的模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置，其特征在于，所述主体框架包括顶板、侧面支撑板、底板和减震垫铁，所述底板设置在减震垫铁上，侧面支撑板与底板固定连接，顶板安装在侧面支撑板上侧。3.如权利要求1所述的模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置，其特征在于，所述垂向力加载机构，包括：垂向力驱动机构、刀座导向板、多分量传感器和竖向导轨；所述刀座导向板一端连接垂向力驱动机构，另一端连接多分量传感器；所述多分量传感器用于实时检测刀具破岩力；所述竖向导轨固定在主体框架的侧面支撑板上，通过第一滑块与垂向力加载机构相连接。所述垂向力驱动机构为安装在主体框架的顶板处的垂向加载油缸，油缸活塞杆固定在刀座导向板处，当垂向油缸工作时，活塞杆带动刀座导向板竖向运动，用于提供垂向力。4.如权利要求1所述的模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置，其特征在于，所述多模式刀座包括：贝壳刀、贝壳刀安装座、滚刀及滚刀安装座；所述贝壳刀安装座一端与贝壳刀相连接，另一端与多分量传感器连接；所述滚刀安装座一端与滚刀相连接，另一端也与多分量传感器连接。5.如权利要求1所述的模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置，其特征在于，所述切向力加载机构包括：切向力驱动机构和切向导轨；所述切向导轨固定在主体框架的底板处，所述试样箱与所述切向导轨通过第二滑块相连接；所述切向力驱动机构为切向力加载油缸，所述切向加载油缸安装在主体框架的底板处，油缸活塞杆固定在试样箱处，当切向力加载油...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡蒙蒙，李彪，徐彬，张波，黄闯，于虎，谷刘琪，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：