一种复杂地层盾构刀具掘进磨损系数测试装置

摘要

本发明涉及一种复杂地层盾构刀具掘进磨损系数测试装置，由机柜、仪器平台、驱动电机、磨盘、加载组件、供料组件、吸土组件和电控组件构成，仪器平台位于机柜内，在仪器平台上放置磨盘、加载组件及电控组件，驱动电机设置在仪器平台的下方并带动磨盘转动，供料组件设置在磨盘的上方，吸土组件设置在最下方。与现有技术相比，本发明采用双轨道磨盘，同时对4根刀具试验钢针进行试验，测试仪器设计了杠杆式加载装载，可实现同时施加4个可变荷载，实现真实工况下准确测试盾构刀具的掘进磨损系数δ(mm/km)，为地下工程施工中大型盾构设备刀具设计提供基础参数。

说明书

技术领域

本发明属于土木工程专用测试仪器领域，涉及一种复杂地层盾构刀具掘进磨 损系数测试装置。

背景技术

盾构机在含砂层、圆砾层、卵石层等土石混合地层中掘进施工时，由于盾构机 的刀盘和刀具不断与土体颗粒发生摩擦碰撞，导致盾构设备切削刀具等易磨损部件 发生损坏，经常出现刀具过度磨损而导致盾构机停机、轴承损坏等严重的设备失效 事故。目前，国际上测量盾构刀具磨损方法和装置，根据切削土体类型的不同，可 分为适用于硬岩和软土两种磨损性试验测试装置。由于我国90％的城市盾构隧道 都在土石混合地层中穿越，国外现有的测试岩石磨损性的试验在我国不适用，同时， 由于我国穿越复杂土层(含砂层、圆砾层、卵石层等约占20％)与国外土层(主 要为可塑～硬塑的粘性土)性质存在很大差异，因此，需要设计一套适合我国土层 条件的盾构刀具磨损性能测试试验仪器，并考虑工程建设现状条件研制新型的仪器 设备以提升其测试功能。本发明研发的试验装置可进行双轨道、多刀具、模拟实际 工况的变载或偏心试验，弥补了目前国际上现有试验测试装置存在的局限和问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种测试粒径小 于4mm的砂土混合地层对盾构掘进刀具磨损性能的复杂地层盾构刀具掘进磨损 系数测试装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种复杂地层盾构刀具掘进磨损系数测试装置，由机柜、仪器平台、驱动电机、 磨盘、加载组件、供料组件、吸土组件和电控组件构成；

所述的仪器平台位于机柜内，在仪器平台上放置磨盘、加载组件及电控组件；

所述的驱动电机设置在仪器平台的下方并带动磨盘转动；

所述的供料组件设置在磨盘的上方；

所述的吸土组件设置在最下方。

所述的磨盘由一圆形不锈钢钢板车削而成，在磨盘上设置了两个磨盘轨道，轨 道周围刻有标准刻度，由于盾构刀具的掘进行程随其安装位置的切削半径变化，因 此，设计的多轨道可模拟实际工程中盾构设备刀具掘进切削行程。

所述的磨盘底部中心经拨插式联轴器与驱动电机连接，控制磨盘转速在 1rpm～30rpm。

所述的磨盘轨道的底部为锯齿状，磨盘轨道内填充2～3层粒径小于4mm的 砾石和/或粉土的土体测试材料，保证试验刀具取样钢针前端始终与土体接触并发 生直接摩擦，并且不与磨盘轨道发生接触。

所述的机柜的前面、左侧和右侧采用封闭式不锈钢钢片，后面采用半封闭式不 锈钢钢片，目的是确保箱内的驱动电机在试验过程中能充分散热降温，也是机柜箱 内吸尘器吸管由机柜内深入磨盘轨道的通道。机柜的箱门为对开双门结构，机柜的 作用一是提供试验平台，二是保证用电安全，驱动电机和附属设备均置于机柜壳内， 三是防尘、防水，保障试验的顺利开展。

仪器平台采用Q235钢，由四个平台框架与一块方形钢板焊接而成用于放置磨 盘、固定加载竖杆以及为其上部部件(磨盘、供料漏斗)提供足够的试验荷载加载 支撑，仪器平台每根框架下部焊接四个垫脚，以增加仪器支架及机柜壳的稳定性；

该仪器平台桌面中心位置开一个孔，上部放置的磨盘的连轴盖穿过孔与机柜内 的电机轴承用拨插式联轴器相连，该拨插式联轴器1的2个拨插间距为120mm。

所述的电控组件为嵌设在仪器平台上的自动数显装置，该装置上设有电源开关 键、调速键、暂停键，数显装置上部为驱动电机频数电子显示屏。

所述的驱动电机为经电控组件控制的变速电机，通过拨插式联轴器直接带动磨 盘转动。

所述的加载组件由加载竖杆、加载梁、不锈钢横梁、杠杆和砝码组成，

所述的加载竖杆为方形钢管，对称布置在磨盘的两侧，加载竖杆底部焊接一个 钢垫板，该钢垫板的四角与仪器平台相连，

所述的加载梁由两根矩形方管组装而成，两端与加载竖杆焊接，两根方管之间 设有放置试验刀具钢针的间隙，加载梁上方放置一个弹簧，用于限制试验钢针的位 移，使试验钢针处于悬空状态，避免试验钢针在受力后直接掉进磨盘中，

在加载竖杆顶端焊接端带小孔的不锈钢块体，将不锈钢横梁套入小孔内并与加 载梁固定，避免加载过重导致杠杆翻转，

所述的杠杆上悬吊荷载砝码。

所述的供料组件包括三根不锈钢钢梁和两个供料漏斗；

所述的该钢梁一端与加载梁垂直焊接固定，另一端悬空，与加载梁组成悬臂结 构，

所述的供料漏斗为不锈钢材质，在其底端焊接两个弯曲的不锈钢薄片，不锈钢 薄片的另一端与钢梁焊接，供料漏斗开设有一弧形小孔，控制供料容量。

所述的吸土组件为工业用吸尘器，该吸尘器的吸管通过机柜延伸至磨盘上开设 的轨道内，吸尘器吸管末端放置一个过滤网，将粒径小于1mm的土颗粒吸出。

与现有技术相比，本发明采用双轨道磨盘，同时对4根刀具试验钢针进行试 验，测试仪器设计了杠杆式加载装载，可实现同时施加4个可变荷载。通过研制的 试验装置，记录试样钢针在一段时间内的行程与盾构推进1km时刀具实际掘进行 程相等，可模拟盾构机实际掘进施工中刀具的磨损性能。同时，考虑现场施工工况 可调整施加荷载，模拟盾构掘进时刀具受到偏心荷载作用，实现准确测试盾构刀具 真实工况下的掘进磨损系数K(mm/km)，为地下工程施工中大型盾构刀具设计提 供基础参数。

附图说明

图1为本发明的主视结构示意图；

图2为本发明的俯视结构示意图；

图3为本发明的左视结构示意图。

图中，101-加载竖杆；102-加载梁；103-杠杆；104-试验钢针孔；105-荷载作 用底盘；106-限位弹簧；107-钢套筒；108-圈数记录仪；109-支点梁；110-不锈钢 块体；111-砝码；201-供料漏斗；202-不锈钢钢梁；301-磨盘轨道；302-平面轴承； 303-联轴器上盖；304-联轴器；305-螺栓帽；401-电源开关；402-暂停键；403-调速 开关；404-频数电子显示屏；405-PVC电控箱；406-电线；501-平台面板；502- 平台框架；601-电机轴承；602-拨插式联轴器；603-驱动电机；701-吸尘器；702- 吸尘器吸管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明装置测试的刀具掘进磨损系数δ(mm/km)定义为试针行进距离为 1km时的长度改变量(mm)；

本发明装置测试的钢针质量损耗m(mg)与长度变化h(mm)间换算关 系如下：

$m=\rho ·h·\frac{{\mathrm{\pi d}}^2}{4}$

其中ρ为测试试件的密度，钢材可取7.85g/cm³,试验测得的钢针质量损耗 为m(mg)，d为试验钢针直径，试件取1cm，则其长度改变量h(mm)为：

$h=\frac{4m}{{\mathrm{\pi d}}^2·\rho }$

本发明装置的磨盘转速由数显装置的频数换算得到，具体方法为：启动磨 盘轨道，当设定一个频率时，根据磨盘上的红色标记，记录对应于此频数的磨 盘转速。分别测试并记录频数为10Hz、20Hz、30Hz、40Hz、50Hz、60Hz时 的磨盘转速，其余值用内插法得到。

试验编号 1 2 3 4 5 6 数显频数(Hz) 10 20 30 40 50 60 磨盘转速(rpm)            

本发明装置试验测试数据记录表格如下：

复杂地层盾构刀具掘进磨损系数测试装置，其结构如图1-3所示，主要由机柜、 仪器平台、驱动电机、磨盘、加载组件、供料组件、吸土组件和电控组件构成，

其中，仪器平台位于机柜内，在仪器平台上放置磨盘、加载组件及电控组件， 驱动电机设置在仪器平台的下方并带动磨盘转动，供料组件设置在磨盘的上方，吸 土组件设置在最下方。

磨盘由一圆形不锈钢钢板车削而成，在磨盘上设置了两个磨盘轨道301，轨道 周围刻有标准刻度，由于盾构刀具的掘进行程随其安装位置的切削半径变化，因此， 设计的多轨道可模拟实际工程中盾构设备刀具掘进切削行程。磨盘底部中心经联轴 器304及拨插式联轴器602，经电机轴承601与驱动电机603连接，控制磨盘转速 在1rpm～30rpm。联轴器304上还设有联轴器上盖303以及螺栓帽305，磨盘的底 部设有平面轴承302。除此之外，磨盘轨道301的底部为锯齿状，磨盘轨道内填充 2～3层粒径小于4mm的砾石和/或粉土的土体测试材料，保证试验刀具取样钢针 前端始终与土体接触并发生直接摩擦，并且不与磨盘轨道301发生接触。

机柜的前面、左侧和右侧采用封闭式不锈钢钢片，后面采用半封闭式不锈钢钢 片，目的是确保箱内的驱动电机在试验过程中能充分散热降温，也是机柜箱内吸尘 器吸管由机柜内深入磨盘轨道的通道。机柜的箱门为对开双门结构，机柜的作用一 是提供试验平台，二是保证用电安全，驱动电机和附属设备均置于机柜壳内，三是 防尘、防水，保障试验的顺利开展。

仪器平台采用Q235钢，由四个平台框架502与一块方形钢板组成的平台面板 501焊接而成用于放置磨盘、固定加载竖杆以及为其上部部件(磨盘、供料漏斗) 提供足够的试验荷载加载支撑，仪器平台每根框架下部焊接四个垫脚，以增加仪器 支架及机柜壳的稳定性；该仪器平台桌面中心位置开一个孔，上部放置的磨盘的连 轴盖穿过孔与机柜内的电机轴承601用联轴器304及拨插式联轴器602，联轴器304 的两个拨插间距为120mm。

电控组件为嵌设在仪器平台上的自动数显装置，该装置上设有电源开关401、 调速开关403、暂停键402，数显装置上部为驱动电机频数电子显示屏404，自动 数显装置下方连接PVC电控箱405，该电控箱经电线406连接驱动电机603。驱动 电机603为经电控组件控制的变速电机，通过拨插式联轴器直接带动磨盘转动。

加载组件由加载竖杆101、加载梁102、不锈钢横梁、杠杆103和砝码111组 成，加载竖杆101为方形钢管，对称布置在磨盘的两侧，加载竖杆底部焊接一个钢 垫板，该钢垫板的四角与仪器平台相连，加载梁102由两根矩形方管组装而成，两 端与加载竖杆101焊接，两根方管之间设有放置试验刀具钢针的间隙，加载梁102 上方放置一个限位弹簧106，限位弹簧106下方设有钢套筒107，上方设有荷载作 用底盘105，用于限制试验钢针的位移，使试验钢针处于悬空状态，避免试验钢针 在受力后直接掉进磨盘中，钢针从试验钢针孔104中掉落，在加载竖杆101顶端焊 接端带小孔的不锈钢块体110，并经支点梁109固定，将不锈钢横梁套入小孔内并 与加载梁102固定，避免加载过重导致杠杆103翻转，杠杆103上悬吊荷载砝码 111，加载梁102上设置有圈数记录仪108用于记录磨盘的旋转圈数。

供料组件包括三根不锈钢钢梁202和两个供料漏斗201；不锈钢钢梁202的一 端与加载梁102垂直焊接固定，另一端悬空，与加载梁102组成悬臂结构。供料漏 斗201为不锈钢材质，在其底端焊接两个弯曲的不锈钢薄片，不锈钢薄片的另一端 与不锈钢钢梁202焊接，供料漏斗开设有一弧形小孔，控制供料容量。

吸土组件为工业用的吸尘器701，吸尘器吸管702通过机柜延伸至磨盘上开设 的轨道内，吸尘器吸管末端放置一个过滤网，将粒径小于1mm的土颗粒吸出。

利用双轨道磨盘，同时对4根刀具试验钢针进行试验，测试仪器设计了杠杆式 加载装载，可实现同时施加4个可变荷载。通过研制的试验装置，记录试样钢针在 一段时间内的行程与盾构推进1km时刀具实际掘进行程相等，可模拟盾构机实际 掘进施工中刀具的磨损性能。同时，考虑现场施工工况可调整施加荷载，模拟盾构 掘进时刀具受到偏心荷载作用，实现准确测试盾构刀具真实工况下的掘进磨损系数 (mm/km)，为地下工程施工中大型盾构刀具设计提供基础参数。