本實用新型涉及一種試驗裝置，尤其涉及一種可用于測量TBM刀盤卡機時破碎巖體反扭矩模擬試驗裝置及方法。

背景技術(shù)：

TBM（Tunnel Boring Machine），全稱為：全斷面隧道掘進(jìn)機，其可實現(xiàn)掘進(jìn)、支護(hù)、出渣等施工工序的并行連續(xù)作業(yè)，因此近年來已被廣泛應(yīng)用。但是由于TBM自身設(shè)備特點，其不如傳統(tǒng)鉆爆法施工靈活，在破碎巖體洞段內(nèi)容易發(fā)生因破碎巖體對刀盤的包裹擠壓作用而造成刀盤卡機的問題。刀盤卡機往往是因為刀盤周圍破碎后的松散巖體碎塊對刀盤的包裹擠壓造成的反扭矩過大，而當(dāng)該反扭矩大于設(shè)備自身所能提供的最大脫困扭矩時，將導(dǎo)致刀盤無法轉(zhuǎn)動，進(jìn)而造成刀盤部位的卡機。

現(xiàn)目前，TBM施工技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)用和研究程度還較低，針對刀盤卡機時周圍破碎巖體對刀盤的反扭矩還沒有一種專門的試驗裝置可以進(jìn)行試驗測定。因此在出現(xiàn)卡機時，破碎巖體可能對刀盤產(chǎn)生的反扭矩大小無法通過試驗獲得；現(xiàn)目前通常采取的方式是在工程設(shè)計和施工中采用巖體的內(nèi)摩擦系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行推斷和估算。而上述估算方式獲得的數(shù)據(jù)，是利用巖體的相關(guān)參數(shù)間接的推斷和估算刀盤所承受的反扭矩，其估算的結(jié)果受估算采用巖體的相關(guān)參數(shù)與反扭矩之間的關(guān)聯(lián)性影響較大，同時受估算采用的本構(gòu)方程的可靠性影響也比較大，因此其估算結(jié)果往往與實際差距較大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型解決的技術(shù)問題是提供一種可以直接測定外部破碎巖體在TBM刀盤卡機時施加在刀盤上的反扭矩的試驗裝置及方法。

本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：TBM刀盤卡機時破碎巖體反扭矩模擬試驗裝置，包括安裝座，在安裝座上安裝有驅(qū)動機構(gòu)、扭矩測量儀、擬刀盤和攪拌鍋，驅(qū)動機構(gòu)的輸出軸與扭矩測量儀的一端傳動連接，扭矩測量儀的另一端與一傳動軸傳動連接，并且所述傳動軸與擬刀盤的安裝轉(zhuǎn)軸傳動連接，以通過驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動擬刀盤轉(zhuǎn)動；所述攪拌鍋具有內(nèi)凹的容納腔，所述容納腔的上端為開口側(cè)，所述擬刀盤可水平轉(zhuǎn)動的設(shè)置在容納腔內(nèi)，并且擬刀盤上的安裝轉(zhuǎn)軸從容納腔的上端開口側(cè)向上延伸。

進(jìn)一步的是：所述傳動軸以及驅(qū)動機構(gòu)的輸出軸均為豎向設(shè)置，并且傳動軸、驅(qū)動機構(gòu)的輸出軸和安裝轉(zhuǎn)軸同軸設(shè)置。

進(jìn)一步的是：所述傳動軸以及驅(qū)動機構(gòu)的輸出軸均為水平設(shè)置，所述傳動軸與安裝轉(zhuǎn)軸通過轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)傳動連接。

進(jìn)一步的是：所述轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)為渦輪蝸桿機構(gòu)。

進(jìn)一步的是：還包括軸向加壓機構(gòu)，所述軸向加壓機構(gòu)可向安裝轉(zhuǎn)軸施加軸向的壓力。

進(jìn)一步的是：所述安裝轉(zhuǎn)軸可在豎向方向上移動一定的位移量，所述軸向加壓機構(gòu)為固定的設(shè)置在安裝轉(zhuǎn)軸頂端的砝碼托盤。

進(jìn)一步的是：在所述容納腔內(nèi)填充有破碎巖體。

進(jìn)一步的是：還包括法向加壓機構(gòu)；所述攪拌鍋的鍋壁包括內(nèi)壁和外壁，并且在內(nèi)壁和外壁之間形成密封的液壓腔；所述法向加壓機構(gòu)為液壓泵，并且所述液壓泵的液體輸出端通過管路與所述液壓腔連通。

進(jìn)一步的是：還包括蓋體，所述蓋體可扣緊的蓋在所述容納腔上端的開口側(cè)上，所述安裝轉(zhuǎn)軸穿過所述蓋體。

另外，本實用新型還提供一種TBM刀盤卡機時破碎巖體反扭矩的試驗方法，其采用上述本實用新型所述的TBM刀盤卡機時破碎巖體反扭矩的試驗裝置，包括如下步驟：

步驟一：將試驗所需的破碎巖體樣品放入攪拌鍋內(nèi)，同時放置擬刀盤，并進(jìn)行相應(yīng)的傳動連接，之后蓋上蓋體；

步驟二：啟動軸向加壓機構(gòu)，通過軸向加壓機構(gòu)向擬刀盤施加軸向壓力；

步驟三：啟動法向加壓機構(gòu)，通過法向加壓機構(gòu)向攪拌鍋內(nèi)的破碎巖體施加法向壓力；

步驟四：啟動驅(qū)動機構(gòu)，以帶動擬刀盤進(jìn)行攪拌，直至攪拌啟動并在速度平穩(wěn)后保持3～5分鐘；

步驟五：試驗過程中記錄各時刻扭矩測量儀的扭矩實測值；

步驟六：繪制時間和扭矩實測值曲線，取曲線拐點最大值為卡機啟動時候的啟動反扭矩，取曲線拐點后部近水平直線段的切線斜距作為轉(zhuǎn)動后的轉(zhuǎn)動反扭矩。

本實用新型的有益效果是：通過本實用新型所述的試驗裝置，可直接測得破碎巖體在刀盤卡機時施加在擬刀盤上的實際反扭矩大小，而通過將試驗獲得的數(shù)據(jù)再按照一定的計算后即可得到實際工程中的反扭矩大小，其可確保所獲得的反扭矩數(shù)據(jù)更加精確。另外，還可通過設(shè)置軸向加壓機構(gòu)，實現(xiàn)對擬刀盤軸向的施力，以模擬TBM刀盤受到的軸向推力；同時通過設(shè)置法向加壓機構(gòu)，實現(xiàn)對擬刀盤周圍破碎巖體的施力，以模擬在實際工程中破碎巖體承受的地應(yīng)力等外部壓力。

附圖說明

圖1為本實用新型所述試驗裝置的第一種具體示例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型所述試驗裝置的第二種具體示例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖2中局部區(qū)域A的放大示意圖；

圖4為攪拌鍋及軸向加壓機構(gòu)的連接示意圖；

圖5為圖4中局部區(qū)域B的放大示意圖；

圖6為一種渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的三圍示意圖；

圖7為扭矩—時間實測的曲線示意圖；

圖中標(biāo)記為：安裝座1、驅(qū)動機構(gòu)2、扭矩測量儀3、擬刀盤4、攪拌鍋5、傳動軸6、安裝轉(zhuǎn)軸7、容納腔8、轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)9、軸向加壓機構(gòu)10、法向加壓機構(gòu)11、內(nèi)壁12、外壁13、液壓腔14、蓋體15、聯(lián)軸器16、限位塊17、破碎巖體18。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本實用新型進(jìn)一步說明。

如附圖1和附圖2中所示的本實用新型所述試驗裝置的兩種具體示例的示意圖；本實用新型所述的TBM刀盤卡機時破碎巖體反扭矩模擬試驗裝置，包括安裝座1，在安裝座1上安裝有驅(qū)動機構(gòu)2、扭矩測量儀3、擬刀盤4和攪拌鍋5，驅(qū)動機構(gòu)2的輸出軸與扭矩測量儀3的一端傳動連接，扭矩測量儀3的另一端與一傳動軸6傳動連接，并且所述傳動軸6與擬刀盤4的安裝轉(zhuǎn)軸7傳動連接，以通過驅(qū)動機構(gòu)2驅(qū)動擬刀盤4轉(zhuǎn)動；所述攪拌鍋5具有內(nèi)凹的容納腔8，所述容納腔8的上端為開口側(cè)，所述擬刀盤4可水平轉(zhuǎn)動的設(shè)置在容納腔8內(nèi)，并且擬刀盤4上的安裝轉(zhuǎn)軸7從容納腔8的上端開口側(cè)向上延伸。

考慮到實際工程中整個TBM的實際刀盤較大，因此在本實用新型中由按照一定比例縮小后的擬刀盤4進(jìn)行模擬代替；這樣可使得本實用新型所述的整個試驗裝置得到極大的縮小，進(jìn)而可在實驗室內(nèi)進(jìn)行模擬試驗。當(dāng)然，通過試驗所得到的數(shù)據(jù)僅表示在該比例條件下的擬刀盤4在卡機時所受到的破碎巖體的反扭矩，而為了獲得實際工程中TBM真實刀盤在卡機時受到的反扭矩，可結(jié)合其與擬刀盤4的比例關(guān)系進(jìn)行一定的換算后得到。

上述攪拌鍋5的作用是用于向容納腔8內(nèi)裝入破碎巖體18，這樣通過將擬刀盤4放入到容納腔8中，即可由破碎巖體將擬刀盤4包裹，進(jìn)而實現(xiàn)模擬擬刀盤4被破碎巖體包裹的情況。

另外，驅(qū)動機構(gòu)2的作用是用于驅(qū)動擬刀盤4轉(zhuǎn)動，同時通過在驅(qū)動機構(gòu)2與擬刀盤4之間的傳動過程中設(shè)置相應(yīng)的扭矩測量儀3，由扭矩測量儀3的對驅(qū)動機構(gòu)2輸出給擬刀盤4的扭矩進(jìn)行實時的測量。其中，驅(qū)動機構(gòu)2可采用一般的電機即可；而扭矩測量儀3則本身為已有的商品。扭矩測量儀3的兩端可分別通過相應(yīng)的聯(lián)軸器16與驅(qū)動機構(gòu)2的輸出軸以及與傳動軸6連接。

本實用新型中，在攪拌鍋5的容納腔8內(nèi)需要加入破碎巖體18，以模擬TBM刀盤在工作時被破碎后的巖體包裹的情況，為了便于向容納腔8內(nèi)加入破碎巖體，因此一般將容納腔8的上端設(shè)置為開口側(cè)，并且使得容納腔8整體呈下凹的半球狀結(jié)構(gòu)或者柱狀結(jié)構(gòu)，以便安裝擬刀盤4并允許擬刀盤4在其內(nèi)部轉(zhuǎn)動。一般的，擬刀盤4通常安裝在相應(yīng)的安裝轉(zhuǎn)軸7上，并通過安裝轉(zhuǎn)軸7與驅(qū)動機構(gòu)2實現(xiàn)傳動連接以驅(qū)動擬刀盤4轉(zhuǎn)動?？紤]到上述攪拌鍋5的設(shè)置情況，因此通常安裝轉(zhuǎn)軸7是呈豎向設(shè)置的，在這種情況下，相應(yīng)的驅(qū)動機構(gòu)2以及扭矩測量儀3的安裝位置可按照附圖1和附圖2中所示的兩種形式；參照附圖1中所示，所述傳動軸6以及驅(qū)動機構(gòu)2的輸出軸均為豎向設(shè)置，并且傳動軸6、驅(qū)動機構(gòu)2的輸出軸和安裝轉(zhuǎn)軸7同軸設(shè)置；此種情況下，驅(qū)動機構(gòu)2以及扭矩測量儀3在豎向方向上間隔設(shè)置，當(dāng)然，相應(yīng)的安裝座1需要設(shè)置有用于安裝驅(qū)動機構(gòu)2以及扭矩測量儀3的豎向結(jié)構(gòu)。而參照附圖2中所示，所述傳動軸6以及驅(qū)動機構(gòu)2的輸出軸均為水平設(shè)置，所述傳動軸6與安裝轉(zhuǎn)軸7通過轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)9傳動連接；附圖2中所示的安裝方式，其相對于附圖1中所示的安裝方式的優(yōu)勢是更便于安裝驅(qū)動機構(gòu)2以及扭矩測量儀3等部件；而通過設(shè)置轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)9實現(xiàn)將驅(qū)動機構(gòu)2輸出的水平向的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)為安裝轉(zhuǎn)軸7所需的豎向的轉(zhuǎn)矩。具體的，參照附圖5中所述，轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)9可采用為蝸輪蝸桿的傳動機構(gòu)，并且可將傳動軸6的一側(cè)設(shè)置為蝸桿側(cè)，而將安裝轉(zhuǎn)軸7的一側(cè)設(shè)置為渦輪側(cè)。

另外，在上述采用附圖2中所示的安裝結(jié)構(gòu)時，由于安裝轉(zhuǎn)軸7通過轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)9后與傳動軸6傳動連接，因此，還可進(jìn)一步在安裝轉(zhuǎn)軸7的頂端設(shè)置有軸向加壓機構(gòu)10；而軸向加壓機構(gòu)10的作用是向安裝轉(zhuǎn)軸7施加軸向向下的壓力，進(jìn)而實現(xiàn)對擬刀盤4施加軸向壓力，以模擬TBM刀盤受到的軸向推力。至于軸向加壓機構(gòu)10的具體結(jié)構(gòu)并沒有任何限制，只要其可實現(xiàn)對安裝轉(zhuǎn)軸7施加軸向向下的壓力即可；例如可僅在安裝轉(zhuǎn)軸7的頂端設(shè)置砝碼托盤，這樣在需要施加壓力時可通過向砝碼托盤上放置相應(yīng)重量的砝碼即可。當(dāng)然，考慮到當(dāng)向安裝轉(zhuǎn)軸7施加軸向壓力后，安裝轉(zhuǎn)軸7需要在豎向方向上發(fā)生一定的向下移動后才可使得擬刀盤4與破碎巖體之間的壓力增加；因此在設(shè)置安裝轉(zhuǎn)軸7時，應(yīng)當(dāng)允許其可在豎向方向上移動一定的位移量，而為了限制安裝轉(zhuǎn)軸7在豎向上的位移量，可設(shè)置有相應(yīng)的限位塊結(jié)構(gòu)17，具體可參照附圖中所示。

另外，本實用新型還可進(jìn)一步設(shè)置有法向加壓機構(gòu)11，所謂法向加壓機構(gòu)11，其目的是通過向位于容納腔8內(nèi)的破碎巖體施加法向上的壓力以擠壓破碎巖體，進(jìn)而實現(xiàn)對實際工程中破碎巖體承受的地應(yīng)力等外部壓力的模擬；具體的法向加壓機構(gòu)11可采用液壓泵，并且通過設(shè)置攪拌鍋5的鍋壁包括內(nèi)壁12和外壁13的結(jié)構(gòu)，同時在內(nèi)壁12和外壁13之間形成密封的液壓腔14；這樣通過所述液壓泵向液壓腔14內(nèi)輸入高壓液體，以使得內(nèi)壁12變形并擠壓內(nèi)部的破碎巖體，實現(xiàn)向破碎巖體施加法向壓力的目的；具體可參照附圖4和附圖5中所示的結(jié)構(gòu)。

另外，在設(shè)置有上述的法向加壓機構(gòu)11后，當(dāng)向液壓腔14內(nèi)泵入高壓液體后，容納腔8將被擠壓變小，此時破碎巖體將向上膨脹，因此未了阻止破碎巖體從容納腔8上端的開口側(cè)溢出，同時使得因容納腔8變小而產(chǎn)生的擠壓力能更好的施加到破碎巖體18上，進(jìn)一步可設(shè)置有蓋體15，所述蓋體15可扣緊的蓋在所述容納腔8上端的開口側(cè)上，所述安裝轉(zhuǎn)軸7穿過所述蓋體15。這樣，當(dāng)容納腔8擠壓內(nèi)部的破碎巖體18時，由于上端開口被蓋體15壓緊蓋住，因此破碎巖體18將被擠壓，可更好的實現(xiàn)對實際工程中破碎巖體承受的地應(yīng)力等外部壓力的模擬。

上述本實用新型所述的試驗裝置，主要是利用驅(qū)動機構(gòu)2的轉(zhuǎn)動帶動擬刀盤4在攪拌鍋5內(nèi)進(jìn)行攪拌，以達(dá)到模擬TBM實際刀盤被破碎巖體所包裹時的情況；另外還可通過軸向和/或法向加壓機構(gòu)對破碎巖體施加相應(yīng)的壓力以模擬相應(yīng)的工況，同時，在傳動過程中利用扭矩測量儀3可對實際的扭矩進(jìn)行實時的測定。另外，通過采用不同級配的破碎巖體，以及施加不同的軸向壓力和/或者徑向壓力，可使得本實用新型所述的裝置可獲取不同級配的破碎巖體、不同施加壓力等條件下破碎巖體樣品的反扭矩參數(shù)。

本實用新型所述的試驗裝置的具體試驗方法，可按照如下步驟進(jìn)行：

步驟一：將試驗所需的破碎巖體樣品放入攪拌鍋5內(nèi)，同時放置擬刀盤4，并進(jìn)行相應(yīng)的傳動連接，之后蓋上蓋體15；當(dāng)然，如有必要，在放入擬刀盤4后，還可在擬刀盤4的上方在放入一定量的破碎巖體，以完全將擬刀盤4包裹；

步驟二：啟動軸向加壓機構(gòu)10，通過軸向加壓機構(gòu)10向擬刀盤4施加相應(yīng)的軸向壓力；

步驟三：啟動法向加壓機構(gòu)11，通過法向加壓機構(gòu)11向攪拌鍋5內(nèi)的破碎巖體18施加相應(yīng)的法向壓力；

步驟四：啟動驅(qū)動機構(gòu)，以帶動擬刀盤4進(jìn)行攪拌，直至攪拌啟動并在速度平穩(wěn)下保持3～5分鐘；

步驟五：試驗過程中記錄各時刻扭矩測量儀3的扭矩實測值；

步驟六：繪制時間和扭矩實測值曲線，取曲線拐點最大值為卡機啟動時候的啟動反扭矩，取曲線拐點后部近水平直線段的切線斜距作為轉(zhuǎn)動后的轉(zhuǎn)動反扭矩。

參照附圖7中所示，根據(jù)實際測得的扭矩—時間數(shù)據(jù)所繪制的曲線將大致呈該圖所示的形狀：從圖7種可以看出，在啟動前期，扭矩將隨時間逐漸增大，達(dá)到曲線拐點時為最大值，而該最大值則為卡機時所需的啟動反扭矩，即驅(qū)動機構(gòu)必須能提供不小于該最大值的扭矩才可保證擬刀盤4能正常啟動。而當(dāng)經(jīng)過曲線拐點后，扭矩先隨時間逐漸下降，然后進(jìn)入穩(wěn)定階段，進(jìn)入穩(wěn)定階段后扭矩將隨時間的變化而基本保持不變，即此時的扭矩—時間曲線將呈近水平直線段，此時所對應(yīng)的扭矩則為保持?jǐn)M刀盤4轉(zhuǎn)動所需的轉(zhuǎn)動反扭矩。

另外，上述步驟二和步驟三可選擇性的執(zhí)行，即可選擇啟動或者無需啟動相應(yīng)的軸向加壓機構(gòu)10或者法向加壓機構(gòu)11。