[发明专利]一种模拟盾构机刀具磨损的试验装置和方法

说明书

本发明提供了一种模拟盾构机刀具磨损的试验装置和方法。该装置包括钢制反力架、土箱、切削刀具装置、液压系统、动力及传力系统和传感量测系统；土箱中装有经固结处理的工程原位土，并通过一组曲面箱壁与伺服液压系统来模拟土压环境；切削刀具装置包括切削刀具、刀座及支撑刀座的液压千斤顶，通过动力及传力系统往复切削土体；量测系统包括位移传感器、温度传感器、压力盒、数据采集仪和计算机。本发明模拟了盾构刀具切削土体真实环境，通过直接切削工程现场土体，探究盾构刀具磨损的影响因素，可以为不同土体环境中盾构机刀具磨损量预测提供科学依据。

技术领域

本发明涉及盾构刀具试验技术领域，尤其涉及一种模拟盾构机刀具磨损的试验装置和方法。

背景技术

盾构刀具的磨耗与损坏，不仅会导致隧道掘进缓慢，直接影响盾构机的开挖效果与工作效率，还会造成临近刀具的负荷增大而加速磨损，甚至导致刀盘磨损，此时若是开仓换刀还可能由于压力失衡导致开挖面失稳并危及换刀人员的人身安全，从而对盾构隧道的工程质量、经济效益与施工安全造成重大负面影响。因此，迫切需要开展盾构刀具的室内磨损试验，实现盾构刀具配置的合理优化与磨损量的精准预测。

但是，目前现有技术中的对盾构施工中刀具的磨损预测方法有限，特别是室内磨损试验方法很不成熟。首先，盾构刀具只有长行程切削土体才会产生较为明显的磨损，这与实验室中有限的空间相矛盾；其次，切削后的土体性质与切削前差异很大，不适宜循环切削，因而需要保证刀具不断切削新土体；最后，目前所采用的刀具磨损室内试验装置多为模拟盾构机掘进的相似材料试验装置，而相似材料不仅难以获得完全合理的相似比，而且与实际土体在成分、级配、含水率等方面存在着很大差异。

因此，开发一种有效的模拟盾构机刀具磨损的试验装置是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的实施例提供了一种模拟盾构机刀具磨损的试验装置和方法，以实现有效地模拟实验盾构机刀具的磨损情况。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种模拟盾构机刀具磨损的试验装置，包括：钢制反力架(1)、土箱(2)、切削刀具装置(4)、液压系统(3)、动力及传力系统(5)、滑轨(6)和传感量测系统，所述切削刀具装置(4)中包括刀具(14)；

所述钢制反力架(1)包括横梁、立柱和底座，所述横梁用于固定所述切削刀具装置(4)、滑轨(6)和动力与传力系统(5)，所述底座用于固定所述土箱(2)和所述液压系统(3)，所述液压系统(3)中包括液压千斤顶(9)；

所述土箱(2)内装有经固结处理的工程土体，所述工程土体的上表面与土箱(2)的开口边缘平齐，所述刀具(14)安装在刀座(12)上，所述刀座(12)安装在液压千斤顶(9)的柱塞端部；

所述动力及传力系统(5)包括电动机、变速箱和齿条(10)构成的传力机构，所述动力及传力系统5通过滑轨(6)与所述切削刀具装置(4)电路连接，通过所述液压系统(3)将所述刀具(14)下降到所述工程土体的上表面，所述动力及传力系统(5)通过电信号编程实现对刀具(14)往复运动的控制，所述刀具(14)对所述工程土体进行往复式切削；

所述传感量测系统测量所述刀具(14)对所述工程土体的切削过程中产生的位移、温度和/或压力数据。

进一步地，在所述土箱(2)的两个相对的侧面分别设置一个曲面箱壁(7)，其中一个曲面箱壁(7)为活动壁，连接有一组液压装置(3)，另一个曲面箱壁(7)通过4根弹簧连接在土箱(2)的主体上。

进一步地，在所述土箱(2)的另外两个相对的侧面分别设置一个钢格栅箱壁(8)，所述钢格栅箱壁(8)的底部密封、上部敞开，所述钢格栅箱壁(8)与土箱(2)采用螺栓连接。

进一步地，所述液压系统(3)包括两台液压千斤顶(9)，油缸固定在钢制反力架(1)上，柱塞与曲面箱壁(7)的活动壁刚性连接。