[发明专利]TBM掘进机模拟试验装置及其试验方法

权利要求书

1.一种TBM掘进机模拟试验装置，其特征在于，包括：

加载器，其设置在模拟TBM掘进机的轴向前端，向模拟TBM掘进机施加荷载，具有，底座、设置在底座后侧的多个加载缸以及设置在所述多个加载缸末端，支承所述多个加载缸的载荷传递器；

至少两组的模拟围岩，其具有座板和设于所述座板中心的筒形的模拟围岩面，与所述加载器同轴设置，轴心设有用于设置模拟TBM掘进机的开孔；

所述模拟围岩具有第一座板、第二座板和筒形的第一围岩面，所述第一座板形成在中心具有与所述第一围岩面的外径相配合的开口的形状，所述第二座板中心开孔并与所述第一围岩面形成为一体；

所述模拟围岩具有第三座板和第二围岩面，所述第三座板中心形成有用于嵌入所述第二围岩面的开孔，所述第二围岩面由通过中心轴的多个分割面分割的多个片段围岩面相拼合成圆筒形，并嵌入所述第三座板的开孔；

多组内力平衡器，其穿过设置于所述底座和所述座板的多个对应位置处的工艺孔，沿轴线方向连接并紧固所述加载器与所述模拟围岩；

在所述内力平衡器包括双头螺纹拉杆、能够使所述双头螺纹拉杆穿过的多个撑杆，所述双头螺纹拉杆穿过轴线方向设置的所述底座和所述座板的相应的工艺孔，并在相邻的所述座板与所述底座以及相邻的底座之间设置所述撑杆，并利用螺母锁紧内力平衡器两端；

所述模拟TBM掘进机从前端至后端依次包括作为头部的模拟刀盘和模拟支承环、第一模拟推进器、第一模拟支撑器、第二模拟推进器以及第二模拟支撑器；所述第一模拟推进器连接所述模拟支承环和所述第一模拟支撑器；所述第二模拟推进器连接所述第一模拟支撑器和所述第二模拟支撑器；

各所述加载缸具有无杆腔和有杆腔，各所述加载缸设有作为变刚度器的第一重构阀；第一重构阀在将所述无杆腔和所述有杆腔分别与各自的压力源相连接的第一状态，和将所述无杆腔、所述有杆腔与第一压力源相连接的第二状态之间切换。

2.如权利要求1所述的TBM掘进机模拟试验装置，其特征在于：

所述多个加载缸的基端规则地分布设置在以所述底座中心为圆心的圆周上，

在所述载荷传递器的前侧面，以相邻的两个所述加载缸为一组，使一组内的所述加载缸的末端彼此靠近，

可装卸地设置在所述载荷传递器的所述加载缸相反侧面上的多个传力插销，

所述传力插销用于与模拟TBM掘进机的模拟刀盘的边缘抵接，将来自各所述加载缸的加载力传递给模拟TBM掘进机的模拟刀盘，

各所述加载缸的两端与所述底座和所述载荷传递器可摆动地连接。

3.如权利要求1～2中任一项所述的TBM掘进机模拟试验装置，其特征在于：

在多组所述模拟围岩内，设置模拟TBM掘进机，使模拟TBM掘进机的头部、支撑器部分分别位于所述模拟围岩内。

4.如权利要求1～2中任一项所述的TBM掘进机模拟试验装置的试验方法，其特征在于：

在多组所述模拟围岩内，设置模拟TBM掘进机，使模拟TBM掘进机的头部、支撑器部分分别位于所述模拟围岩内，实施试验一～试验六的任一组，

试验一

用于模拟常规的TBM掘进机的推进-支撑-换步-调向-纠偏作业的运动动作，

首先，基于TBM掘进机模拟试验装置和模拟TBM掘进机的配置方式，抽去传力插销，使模拟TBM掘进机与加载器两者脱开连接关系，从而可进行如下工作状态模拟，

1)切削运动，在不对加载器施加载荷条件下，通过驱动模拟TBM掘进机的模拟刀盘使其作回转运动，模拟TBM的切削运动；

2)支撑动作，通过驱动模拟TBM掘进机的第一、第二模拟支撑器，模拟TBM支撑动作；

3)推进、调向、纠偏动作，通过驱动模拟TBM掘进机的第一、第二模拟推进器，模拟TBM推进、调向或纠偏动作；

4)换步动作，对于具有换步器模拟TBM掘进机，通过驱动模拟TBM掘进机的模拟换步器来模拟TBM换步动作，

在模拟TBM支撑、推进、换步、调向和纠偏动作时，可同步测量并采集模拟TBM掘进机的运动的位置与姿态参数，模拟TBM掘进机的位置与姿态参数可由安装于模拟推进缸内的线位移传感器测得，

试验二

用于模拟给定的TBM掘进机的转向作业，方法如下，

1)使模拟TBM掘进机加大第一、第二模拟推进器的前进方向左侧的液压推进缸的推进力或减小第一、第二模拟推进器右侧的液压推进缸的推进力，使模拟TBM掘进机向右侧转向作业，

2)反之，减小第一、第二模拟推进器左侧的液压推进缸的推进力或加大第一、第二模拟推进器右侧的液压推进缸的推进力，使模拟TBM掘进机向左侧转向作业，

试验三

用于模拟给定的TBM掘进机的调坡作业，方法如下，

1)使模拟TBM掘进机加大第一、第二模拟推进器中靠上侧的液压推进缸的推进力或减小第一、第二模拟推进器靠下侧的液压推进缸的推进力，使模拟TBM掘进机向下沉头，实现下坡调坡作业，

2)反之，减小第一、第二模拟推进器靠上侧的液压推进缸的推进力或加大第一、第二模拟推进器靠下侧的液压推进缸的推进力，使模拟TBM掘进机向上仰头，实现上坡调坡作业，

试验四

用于掘进动力传递性能测试试验，其方法如下，

基于模拟试验装置，驱动模拟TBM掘进机使其产生的掘进动力，该掘进动力通过传力插销传递至载荷传递器，迫使加载器的加载缸缩回，产生被动加载载荷，通过实时测得的加载器和模拟TBM掘进机的位姿和所受载荷的测量，分析其动力传递性能，

试验五

用于掘进阻力传递性能测试试验，其方法如下，

基于模拟试验装置，驱动加载器使其主动地产生的掘进阻力，通过载荷传递器及传力插销传递至模拟TBM掘进机的模拟刀盘，迫使模拟TBM掘进机的第一和/或第二模拟推进器的推进缸产生被动推力，通过实时测得的加载器和模拟TBM掘进机的位姿和所受载荷，分析其阻力传递性能，

试验六

用于模拟掘进环境变化不同的工况条件，包括对如下工况条件进行模拟，

1)通过变刚度器的设定，使各加载缸刚度不一致，从而模拟掘进面硬度不均的工况条件；

2)在模拟掘进过程中通过突然改变变刚度器的刚度，来模拟前方的掘进面硬度突然变软或突然变硬的工况条件；

3)通过关闭加载器所有加载缸的出油口，模拟掘进面突然变得特硬的极端工况条件；

4)通过打开加载器所有加载缸的出油口，使其突然失去掘进阻力，模拟掘进时突然遇到溶洞等极端工况条件。