一種多點衝擊臥式tbm刀盤縮尺試驗臺設計方法
2023-05-20 20:49:01
一種多點衝擊臥式tbm刀盤縮尺試驗臺設計方法
【專利摘要】本發明一種多點衝擊臥式TBM刀盤縮尺試驗臺設計方法屬於全斷面巖石掘進機掘進【技術領域】，涉及一種多點衝擊臥式TBM刀盤縮尺試驗臺的設計方法。該方法中，將同步加載盤支架組件中的壓力滾子布置在與刀盤刀具半徑相同的圓周上，通過調整同步加載盤支架組件中的壓力滾子的布置位置和數量，實現縮尺刀盤載荷頻率的調整和對同步加載盤組件中同步加載盤的壓力大小，實現縮尺刀盤扭矩載荷值的調整。試驗臺由試驗臺底架、刀盤驅動架、電機、聯軸器、減速機、主軸承、刀盤架、縮尺刀盤組件、同步加載盤組件、同步加載盤支架組件和動力加載組件組成。該方法靈活、準確。該試驗臺能真實的模擬刀盤實際的工作過程，實現對刀盤動態特性的研究。
【專利說明】一種多點衝擊臥式TBM刀盤縮尺試驗臺設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於全斷面巖石掘進機掘進【技術領域】，特別涉及一種多點衝擊臥式TBM刀 盤縮尺試驗臺的設計方法。
【背景技術】
[0002] 全斷面巖石掘進機是地鐵、引水等隧道工程建設的大型關鍵技術設備，而在掘進 過程中，刀盤是全斷面巖石掘進機最主要的部件之一，它肩負著掘進開挖、支撐掌子面的功 能，是所有破巖刀具的安裝載體。刀盤所受的載荷是典型的隨機載荷，承受大扭矩、大推力 和隨機突變的衝擊載荷，在隨機載荷作用下，刀盤的振動表現為受迫彈性體的隨機扭轉振 動和橫向振動。所以刀盤的工作條件極其惡劣，受力情況十分複雜，刀盤的合理設計對提高 掘進速率、刀盤壽命、刀具壽命和刀盤大軸承壽命，降低挖掘成本，減輕掘進機震動，降低噪 音等具有重要作用。因此，設計搭建用於研宄全斷面巖石掘進機刀盤特性的試驗臺對優化 刀盤結構和刀盤的延壽設計至關重要。
[0003] 國內在全斷面巖石掘進機試驗臺方面的設計主要集中於滾刀破巖試驗裝置的設 計。具有代表性的有中鐵隧道集團有限公司洪開榮等人發明的滾刀破巖試驗臺，中國專利 號：CN201110246883. 0,專利名稱為："TBM破巖試驗裝置"，在該試驗裝置實驗過程中，可測 量出刀具切削力、軸向推力、貫入度、刀間距等多項參數。但此試驗臺不能對刀盤進行動態 特性研宄，並且該試驗臺的加載採用刀具掘進巖箱的加載方式，難以對刀盤受到的載荷進 行準確控制，不便於通過控制試驗臺載荷進行試驗研宄。
【發明內容】
[0004] 本發明要解決的難題，是針對現有設計的全斷面巖石掘進機試驗臺不能對刀盤進 行動態特性試驗的問題，發明一種多點衝擊臥式TBM刀盤縮尺試驗臺的設計方法。該設計 方法採用同步加載盤組件、同步加載盤支架組件和動力加載組件對試驗臺的縮尺刀盤進行 多點衝擊加載，通過調整同步加載盤支架組件中壓力滾子的布置位置、布置數量和壓力大 小，實現縮尺刀盤載荷頻率和大小的控制。該方法靈活、準確。採用該方法設計的TBM刀盤 縮尺試驗臺，可對刀盤進行動態特性研宄，能夠真實的模擬實際掘進機的掘進工況，提高實 驗的準確性。
[0005] 本發明採用的技術方案是一種多點衝擊臥式TBM刀盤縮尺試驗臺設計方法，其特 徵在於，設計方法中：將同步加載盤支架組件中的壓力滾子布置在與刀盤刀具半徑相同的 圓周上，通過調整同步加載盤支架組件中的壓力滾子的布置位置和數量，實現縮尺刀盤載 荷頻率的調整；通過調整壓力滾子的布置數量和對同步加載盤組件中同步加載盤的壓力大 小，實現縮尺刀盤扭矩載荷值的調整，具體步驟如下：
[0006] 1)通過調整同步加載盤支架組件III中壓力滾子IIIf的布置位置，對縮尺刀盤Ia 受到的載荷頻率進行調整；壓力滾子IIIf布置特點與縮尺刀盤Ia載荷頻率調整關係如 下：
[0007] 將壓力滾子IIIf沿內周向外周依次布置，布置有壓力滾子的每個圓周上布置壓力 滾子的數量相同，設布置有壓力滾子IIIf的圓周數為K。令縮尺刀盤Ia在轉動一周內，刀 盤刀具Id由縮尺刀盤Ia中心向外依次受到衝擊。刀盤刀具Id個數為N，刀盤刀具編 號為Ni,i為刀盤刀具所在圓周編號為1、2、3…1隊所在圓周i上的壓力滾子IIIf編號為 M/、Mf、···、MiHf,η為同一圓周上壓力滾子數量；設相鄰圓周上兩把刀盤刀具Id所 在的半徑為氏、Ri+1，Ri+1半徑上財^壓力滾子IIIf與Ni+1刀盤刀具Id的中心夾角為為， 夾角方向與縮尺刀盤Ia轉動方向相反。Ri半徑上壓力滾子IIIf與隊刀盤刀具Id的 中心夾角為凡，則由於壓力滾子IIIf對正刀衝擊活動套IIb和邊刀衝擊活動套IId的作用， 縮尺刀盤Ia受到的衝擊載荷頻率為：
[0008]
【權利要求】
1. 一種多點衝擊臥式TBM刀盤縮尺試驗臺設計方法，其特徵在於，設計方法中，將同步 加載盤支架組件中的壓力滾子布置在與刀盤刀具半徑相同的圓周上，通過調整同步加載盤 支架組件中的壓力滾子的布置位置和數量，實現縮尺刀盤載荷頻率的調整；通過調整壓力 滾子的布置數量和對同步加載盤組件中同步加載盤的壓力大小，實現縮尺刀盤扭矩載荷值 的調整；具體步驟如下： 1) 通過調整同步加載盤支架組件（III)中壓力滾子（IIIf)的布置位置，對縮尺刀盤(Ia)受到的載荷頻率進行調整；壓力滾子（IIIf)布置特點與縮尺刀盤（Ia)載荷頻率 調整關係如下： 將壓力滾子（IIIf)沿內周向外周依次布置，布置有壓力滾子的每個圓周上布置壓力 滾子的數量相同，設布置有壓力滾子（IIIf)的圓周數為K;令縮尺刀盤（Ia)在轉動一周 內，刀盤刀具（Id)由縮尺刀盤（Ia)中心向外依次受到衝擊；刀盤刀具（Id)個數為 N，刀盤刀具編號為隊，i為刀盤刀具所在圓周編號為1、2、3…1隊所在圓周i上的壓力滾 子（IIIf)編號為風1、Mf、…、M/、…n為同一圓周上壓力滾子數量；設相鄰圓周上兩 把刀盤刀具（Id)所在的半徑為Ri、Ri+1，Ri+1半徑上從^壓力滾子（Illf)與Ni+1刀盤刀具 (Id)的中心夾角為為"，夾角方向與縮尺刀盤（Ia)轉動方向相反成半徑上壓力滾 子（Illf)與隊刀盤刀具（Id)的中心夾角為/?/_.則由於壓力滾子（Illf)對正刀衝擊活 動套（IIb)和邊刀衝擊活動套（IId)的作用，縮尺刀盤（Ia)受到的衝擊載荷頻率為：
其中，a為縮尺刀盤（Ia)轉動角速度；t為縮尺刀盤（Ia)受到兩次衝擊之間的時 間間隔；為滿足刀盤刀具（Id)由內周向外周依次受到衝擊作用，則應滿足條件：
則在半徑氏所在圓周上，第j個壓力滾子（IIIf)與第1個壓力滾子間的夾角為：
則在半徑氏所在圓周上，壓力滾子（IIIf)個數n應滿足條件：
根據公式（2)、（3)、（4)應滿足的條件，通過調整相鄰圓周上壓力滾子（IIIf)與刀盤刀 具（Id)中心角的差值/私-/彳"的大小和同一圓周上壓力滾子（IIIf)的數量n及布置壓 力滾子的圓周數量K，即可調整縮尺刀盤（Ia)受到的衝擊載荷頻率； 2) 通過改變同步加載盤支架組件（III)中壓力滾子（IIIf)的壓力，調整同步加載盤(IIa)受到的轉矩載荷大小即調整縮尺刀盤（Ia)受到的轉矩載荷大小；每把刀盤刀具 (Id)所在圓周上布置的壓力滾子（IIIf)數量n和單個壓力滾子對同步加載盤（IIa)的 壓力F對縮尺刀盤（Ia)轉矩載荷調整關係如下： 單個壓力滾子（IIIf)相對同步加載盤（Ia)滾動時，對同步加載盤（Ia)產生的滾 動摩擦阻力為：
其中，匕為單個壓力滾子（IIIf)對同步加載盤（Ia)產生的滾動摩擦阻力；F為單個 壓力滾子（IIIf)對同步加載盤（Ia)壓力；r為壓力滾子半徑；yk為滾動摩擦係數； 則所有壓力滾子IIIf對同步加載盤（Ia)產生的扭矩載荷為：
其中，T為所有壓力滾子（IIIf)對同步加載盤（Ia)產生的扭矩載荷；f為單個壓力 滾子（IIIf)對同步加載盤（Ia)產生的滾動摩擦阻力況為第i把刀盤刀具（Id)所 在半徑大小；N為刀盤刀具（Id)的個數；n為每把刀盤刀具所在圓周上布置的壓力滾子 (IIIf)數量；將（5)式帶入（6)式，得：
從上式可知，通過改變每把刀盤刀具（Id)所在圓周上布置的壓力滾子（IIIf)的數 量n和單個壓力滾子對同步加載盤（IIa)的壓力F可對縮尺刀盤（Ia)轉矩載荷進行調 整。
2.如權利要求1所述的一種多點衝擊臥式TBM刀盤縮尺試驗臺設計方法，其特徵在於， 該設計方法採用的試驗臺為臥式結構，它由試驗臺底架（1)、刀盤驅動架（2)、電機（3)、聯 軸器（4)、減速機（5)、主軸承（6)、刀盤架（7)、縮尺刀盤組件（I)、同步加載盤組件（II)、 同步加載盤支架組件（III)和動力加載組件（IV)組成；刀盤驅動架（2)用螺釘安裝在試 驗臺底架⑴上，電機（3)和減速機（5)用螺栓安裝在刀盤驅動架⑵上，每臺電機⑶的 輸出軸與每臺減速機（5)的輸入軸之間用聯軸器（4)連接，減速機（5)的輸出孔與主軸承 (6)的小齒輪軸配合連接；主軸承（6)由螺栓安裝在刀盤驅動架（2)上，主軸承內圈與刀盤 架（7)用螺栓連接； 縮尺刀盤組件（I)由縮尺刀盤（Ia)、邊刀座（Ib)、正刀座（Ic)和刀盤刀具(Id)組成，縮尺刀盤（Ia)與刀盤架（7)焊接，正刀座（Ic)和邊刀座（Ib)安裝在 縮尺刀盤（Ia)盤面上，刀盤刀具（Id)為圓形觸頭形式，刀盤刀具（Id)用螺釘安裝 在邊刀座（Ib)或正刀座（Ic)上； 同步加載盤組件（II)由同步加載盤（IIa)、正刀衝擊活動套（IIb)、邊刀衝擊活動 套（IId)和刀具衝擊固定套（IIc)組成，同步加載盤（IIa)與縮尺刀盤（Ia)同軸心 安裝，刀具衝擊固定套（IIc)用螺釘安裝在同步加載盤（IIa)上，正刀衝擊活動套（IIb) 與正刀座（Ic)上的刀盤刀具（Id)配合安裝，邊刀衝擊活動套（IId)與邊刀座（Ib) 上的刀盤刀具（Id)配合安裝，正刀衝擊活動套（IIb)和邊刀衝擊活動套（IId)與刀具 衝擊固定套（IIc)同軸心配合； 所述的同步加載盤（IIa)為圓盤型，圓盤外輪廓為圓弧形，盤面上加工有與刀盤刀具(Id)數量和布置方法相同的方形孔（IIe);正刀衝擊活動套（IIb)和邊刀衝擊活動套 (IId)的一端為圓柱筒與刀盤刀具（Id)的觸頭配合安裝，另一端為方形平板與同步加載 盤（IIa)的方形孔（IIe)配合安裝，並且方形平板面與同步加載盤（IIa)盤面處於同一 平面； 同步加載盤支架組件（III)由兩個支架底座（Ilia)、兩個滑動柱（IIIb)、兩個滑動副(IIIc)、兩個滑動框架（IIId)、四個彈簧圓弧支撐塊（IIIe)、若干壓力滾子（IIIf)和壓力 滾子安裝盤（IIIg)組成，四個彈簧圓弧支撐塊（IIIe)用螺釘安裝在兩個滑動框架（IIId) 的兩端，彈簧圓弧支撐塊（IIIe)的支撐面為一部分球面，球面半徑與同步加載盤（IIa)外 徑相同；壓力滾子（IIIf)在壓力滾子安裝盤（IIIg)徑向固定，沿軸向可調節位置；滑動框 架上用螺釘安裝有滑動柱（IIIb)，滑動柱與支架底座（Ilia)的滑動副（IIIc)配合，支架底 座（Ilia)用螺釘安裝在試驗臺底架（1)上，壓力滾子安裝盤（IIIg)用螺栓安裝在兩個滑 動框架（IIId)上，壓力滾子（IIIf)安裝在壓力滾子安裝盤（IIIg)上，四個彈簧圓弧支撐 塊（IIIe)沿圓周支撐同步加載盤（IIa)，壓力滾子（IIIf)與同步加載盤（IIa)盤面接 觸； 動力加載組件（IV)由液壓作動器前支架（IVa)、加載滾子（IVb)、加載滾子支撐座(IVc)、滑杆（IVd)、滑杆滑動副（IVe)、滑杆底座（IVf)、液壓作動器（IVg)和反力牆 (IVh)組成；反力牆（IVh)焊接和栓接在試驗臺底架（1)上，液壓作動器（IVg) -端用 螺釘安裝在反力牆（IVh)上，另一端與滑杆底座（IVf)用螺釘連接，滑杆（IVd) -端用 螺釘安裝在滑杆底座（IVf)上，滑杆（IVd)另一端與加載滾子支撐座（IVC)焊接，加載 滾子（IVb)安裝在加載滾子支撐座（IVc)上，加載滾子（IVb)與同步加載盤（IIa)盤 面接觸，液壓作動器前支架（IVa)上安裝有滑杆滑動副（IVe)，滑杆（IVd)與滑杆滑動副 (IVe)配合。
【文檔編號】G01N3/38GK104483220SQ201410851013
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月31日 優先權日:2014年12月31日
【發明者】霍軍周, 周建軍, 李廣慶, 吳瀚洋 申請人:大連理工大學, 盾構及掘進技術國家重點實驗室