雙模式TBM刀具破巖試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

趙昌盛， 管會(huì)生, 楊延棟， 何　彬， 田志杰

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都　610031)

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雙模式TBM刀具破巖試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

趙昌盛， 管會(huì)生, 楊延棟， 何彬， 田志杰

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都610031)

摘要：盾構(gòu)施工受巖層條件和刀盤設(shè)計(jì)的影響很大，可利用試驗(yàn)裝置對(duì)刀具與巖石的相互作用關(guān)系進(jìn)行研究。結(jié)合現(xiàn)有的單一回轉(zhuǎn)或直線切割破巖試驗(yàn)裝置，提出了雙模式TBM刀具試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案，可在同一臺(tái)裝置上實(shí)現(xiàn)2種模式，具有成本低、功能多的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)已有的單一模式試驗(yàn)臺(tái)的研究成果及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定雙模式試驗(yàn)臺(tái)的工作參數(shù)。通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了刀具下壓、直線切割和回轉(zhuǎn)切割破巖等試驗(yàn)動(dòng)作，以及刀具貫入度、破巖力、破巖速度等參數(shù)變化；并利用ANSYS軟件對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和剛度的可靠性；同時(shí)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，滿足研究刀具破巖試驗(yàn)的要求。

關(guān)鍵詞:TBM； 刀具； 雙模式試驗(yàn)臺(tái)； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 液壓系統(tǒng)

0引言

不論是TBM還是盾構(gòu)，刀具都是最重要的部件，其破巖效率直接影響到整個(gè)隧道的施工進(jìn)度，其設(shè)計(jì)和使用的關(guān)鍵理論是刀具與巖石的相互作用理論。刀具壓入巖石破巖的這一過程受到推進(jìn)力、扭矩、轉(zhuǎn)速、滾刀間距、貫入量和巖體屬性等多種因素之間相互作用的影響[1-3]。由于該過程復(fù)雜，且TBM的施工環(huán)境惡劣，難以通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析各因素對(duì)刀具破巖效率的影響，因此，要全面深入地研究刀具與巖土的相互作用過程，就有必要建立試驗(yàn)臺(tái)來進(jìn)行研究。

此類試驗(yàn)臺(tái)根據(jù)破巖刀具與被切巖樣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式，可以分為直線切割破巖和回轉(zhuǎn)切割破巖2種類型，且各有優(yōu)勢(shì)?；剞D(zhuǎn)切割試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)過程與實(shí)際工程中刀盤的施工運(yùn)動(dòng)過程相同，可較為真實(shí)地模擬破巖時(shí)的情況，但由于場(chǎng)地及成本的限制，試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)尺寸通常不會(huì)很大，導(dǎo)致切割破巖運(yùn)動(dòng)的回轉(zhuǎn)半徑較小，回轉(zhuǎn)速度也較慢; 因此，回轉(zhuǎn)模式的試驗(yàn)臺(tái)一般只能模擬實(shí)際盾構(gòu)刀盤中心附近部位的刀具破巖。刀盤周圍的刀具，由于回轉(zhuǎn)半徑比較大，可近似看作直線運(yùn)動(dòng)，所以用切割破巖速度較大的直線切割試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行模擬試驗(yàn)更為合適。

美國(guó)科羅拉多礦業(yè)學(xué)院是最早研制此類試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)構(gòu)之一，并通過大量的切割破巖試驗(yàn)得到了著名的CSM滾刀破巖力預(yù)測(cè)公式[4-5]。國(guó)內(nèi)的盾構(gòu)與掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室、中南大學(xué)、煤炭科學(xué)研究院等多家單位都研制過回轉(zhuǎn)切割模式試驗(yàn)臺(tái)[6-11]，但所開發(fā)的試驗(yàn)裝置都是只有單一的回轉(zhuǎn)工作模式。中南大學(xué)還研制了盤形滾刀切削性能試驗(yàn)臺(tái)[12]，這是一種直線切割試驗(yàn)臺(tái)，其側(cè)重點(diǎn)在于進(jìn)行滾刀的靜壓、滾壓和沖擊滾壓巖石試驗(yàn)。文獻(xiàn)[13-14]中提到了北京工業(yè)大學(xué)研制的大型機(jī)械破巖試驗(yàn)平臺(tái)，主要進(jìn)行了一些破巖效果的直線切割破巖試驗(yàn)研究，該試驗(yàn)臺(tái)是帶有旋轉(zhuǎn)破巖試驗(yàn)裝置的，但未有回轉(zhuǎn)破巖試驗(yàn)相關(guān)成果的報(bào)道。

制作單一的回轉(zhuǎn)或直線破巖試驗(yàn)臺(tái)，都不能全面地滿足刀具破巖機(jī)制研究的試驗(yàn)需要，因此，有必要開發(fā)集成2種切割模式于一體、可實(shí)現(xiàn)2種切割試驗(yàn)的多功能試驗(yàn)裝置。與單獨(dú)制作2種試驗(yàn)裝置相比，雙模式試驗(yàn)裝置具有制造成本低和占用空間小的優(yōu)勢(shì)。

1試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)目的與要求

1.1試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)目的

本試驗(yàn)臺(tái)用于研究TBM刀具的破巖過程、巖樣與刀具的相互作用關(guān)系，研究?jī)?nèi)容如下。

1) 刀具的破巖機(jī)制。即巖石破碎失效、裂紋擴(kuò)張和碎片剝落過程。

2) 刀具的破巖力預(yù)測(cè)。即不同破巖條件下的刀具破巖垂直力、滾動(dòng)力和側(cè)向力參數(shù)的變化。

3) 刀具破巖參數(shù)優(yōu)化。即刀具的外形尺寸、破巖力、貫入度和刀間距等參數(shù)之間的最優(yōu)匹配關(guān)系。

4) 刀具磨損機(jī)制。即刀具在長(zhǎng)期工作的情況下，巖石對(duì)刀具表面的磨損情況。

1.2試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)要求

為保證試驗(yàn)臺(tái)具備完成上述試驗(yàn)的能力，達(dá)到試驗(yàn)的目的，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)提出如下設(shè)計(jì)要求。

1)可完成直線切割和回轉(zhuǎn)切割2種模式的試驗(yàn)，在每種模式下可實(shí)現(xiàn)刀具恒定切深和恒定壓力2種試驗(yàn)工況。

2)可安裝滾刀、切刀等多種刀具，刀具破巖試驗(yàn)時(shí)所受的垂直力、滾動(dòng)力和側(cè)向力可測(cè)。

3)試驗(yàn)臺(tái)采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，液壓泵、馬達(dá)和油缸等關(guān)鍵部件的壓力、流量和油溫等關(guān)鍵參數(shù)可測(cè)。

4)刀具的垂直貫入度可調(diào)，并便于測(cè)量。

5)直線切割模擬實(shí)際工程中安裝半徑較大刀具時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，切削速度和切削力可調(diào)。

6)回轉(zhuǎn)切割模擬實(shí)際工程中安裝半徑較小刀具時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，回轉(zhuǎn)速度和回轉(zhuǎn)扭矩可調(diào)。

7)在滿足試驗(yàn)功能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)盡量緊湊與輕量化。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)設(shè)定

2.1試驗(yàn)臺(tái)刀具選型

目前，盾構(gòu)和TBM的主要刀具是盤形滾刀和切刀，所以試驗(yàn)臺(tái)以這2種刀具為研究對(duì)象。實(shí)際工程中所用的盤形滾刀多為17 in，直徑為432 mm，最大載荷250 kN[15]。對(duì)于安裝雙刀甚至多刀的試驗(yàn)臺(tái)來說，17 in滾刀的尺寸、質(zhì)量都很大，很多試驗(yàn)臺(tái)采用了1∶2的8.5 in滾刀來進(jìn)行試驗(yàn)研究，以減小試驗(yàn)臺(tái)的功率消耗和結(jié)構(gòu)尺寸，但是,相比而言，還是1∶1的17 in滾刀能更為真實(shí)地模擬工程實(shí)際。

綜合考慮，本試驗(yàn)臺(tái)選擇使用1把17 in或2把8.5 in的盤形滾刀來進(jìn)行試驗(yàn)。滾刀安裝如圖1所示，刀架上設(shè)計(jì)了2組螺紋孔以便安裝不同尺寸的刀具，并可隨時(shí)更換。同樣地，本試驗(yàn)臺(tái)所用的切刀也可以選擇1∶1或1∶2類型。

(a)

(b)

2.2試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)原理

試驗(yàn)臺(tái)有豎直推進(jìn)裝置、回轉(zhuǎn)切割裝置和直線切割裝置3個(gè)工作部分。

1)豎直推進(jìn)裝置由單個(gè)豎直液壓缸來驅(qū)動(dòng)，液壓缸活塞桿端部連接刀具架，刀具架上安裝盤形滾刀或者其他刀具。

2)回轉(zhuǎn)切割裝置是由液壓馬達(dá)經(jīng)過減速器減速增扭后帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)臺(tái)由回轉(zhuǎn)支承和回轉(zhuǎn)切割巖樣箱組成，其轉(zhuǎn)速可調(diào)，用于回轉(zhuǎn)切割的巖樣就放在巖樣箱中。

3)直線切割裝置是由單個(gè)水平液壓缸驅(qū)動(dòng)。液壓缸一端固定在反力架上，另一端連接直線切割巖樣箱。巖樣箱可沿著底部的滑動(dòng)導(dǎo)軌在底座上滑動(dòng)。

試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。機(jī)架結(jié)構(gòu)由4根H型鋼立柱支撐，同側(cè)的立柱之間沿豎直方向各安裝1根三角導(dǎo)軌，在刀具架上安裝滑塊與之配合，對(duì)豎直推進(jìn)裝置起到導(dǎo)向的作用。豎直液壓缸安裝在機(jī)架結(jié)構(gòu)的頂部，轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在刀具架的正下方。在安裝轉(zhuǎn)臺(tái)的試驗(yàn)臺(tái)底座上同時(shí)安裝2根水平導(dǎo)軌，可實(shí)現(xiàn)直線切割模式下巖樣箱的水平滑動(dòng)。

1—水平油缸； 2—液壓馬達(dá)； 3—扭矩傳感器； 4—水平巖樣箱； 5—減速器； 6—回轉(zhuǎn)巖樣箱； 7—刀具； 8—豎直油缸。

圖2試驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

Fig. 2Overall structure of experimental platform

2種試驗(yàn)?zāi)Ｊ较聭?yīng)使用不同的巖樣箱。2個(gè)巖樣箱基本處于同一水平高度。直線切割巖樣箱為焊接成的整體結(jié)構(gòu)，回轉(zhuǎn)切割巖樣箱為螺栓連接的可拆分結(jié)構(gòu)。做直線切割試驗(yàn)時(shí)，將回轉(zhuǎn)切割巖樣箱拆下即可，同時(shí)，可拆分的巖樣箱也方便了試驗(yàn)結(jié)束后巖樣箱中巖渣的清理。

2.3試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)設(shè)定

由于回轉(zhuǎn)切割試驗(yàn)和直線切割試驗(yàn)不會(huì)同時(shí)進(jìn)行，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，設(shè)計(jì)將回轉(zhuǎn)切割系統(tǒng)與直線切割系統(tǒng)使用同一套電機(jī)和液壓泵。這樣要求2種試驗(yàn)?zāi)Ｊ较碌墓β什荒芟嗖钐?。為達(dá)到這一要求，參數(shù)設(shè)定時(shí)，從滿足回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的切割力和切割速度方面考慮，計(jì)算出回轉(zhuǎn)切割試驗(yàn)的最大功率。然后，在確定直線切割試驗(yàn)的切割力情況下，用回轉(zhuǎn)試驗(yàn)?zāi)Ｊ较掠?jì)算得到的最大功率來計(jì)算直線試驗(yàn)的最大切割速度。試驗(yàn)臺(tái)工作裝置的工作參數(shù)設(shè)定如表1所示。

2.4機(jī)架結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能否滿足強(qiáng)度和剛度的要求，使用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析。機(jī)架結(jié)構(gòu)的材料為Q235，結(jié)構(gòu)的板厚為20～40 mm時(shí)屈服強(qiáng)度為225 MPa。設(shè)定密度為7.8 g/cm3，楊氏彈性模量為205 GPa，泊松比為0.28。對(duì)回轉(zhuǎn)切割和直線切割2種模式下的最大負(fù)載工況進(jìn)行分析。

表1　試驗(yàn)臺(tái)工作參數(shù)表

2.4.1回轉(zhuǎn)切割工況

在底座上的轉(zhuǎn)臺(tái)安裝法蘭和頂板上的油缸安裝法蘭上分別施加豎直向下和向上的力600 kN，轉(zhuǎn)臺(tái)安裝法蘭施加最大扭矩50 kN·m，對(duì)角位置的2根立柱施加刀具架，通過豎直導(dǎo)軌傳遞過來的回轉(zhuǎn)扭矩的反作用力26 kN，得到機(jī)架的應(yīng)力云圖如圖3所示，最大應(yīng)力為190.2 MPa，最大變形量約為1 mm。本試驗(yàn)臺(tái)機(jī)架可以滿足回轉(zhuǎn)模式下極限工況的強(qiáng)度和剛度要求。

圖3　回轉(zhuǎn)切割模式應(yīng)力云圖(單位： MPa)

2.4.2直線切割工況

豎直方向的載荷600 kN與回轉(zhuǎn)切割模式相同，分別向下施加在底座上的水平導(dǎo)軌安裝板和向上施加在豎直油缸安裝法蘭上，立柱上施加水平載荷360 kN，所得應(yīng)力云圖如圖4所示，最大應(yīng)力203.4 MPa，最大變形量約為1.2 mm，可以滿足直線切割模式下極限工況強(qiáng)度和剛度要求。

圖4　直線切割模式應(yīng)力云圖(單位： MPa)

3液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)在工作時(shí)可分為2大步驟，分別由2個(gè)液壓回路完成動(dòng)作。第1個(gè)步驟為刀具下壓，按照試驗(yàn)要求的貫入度，豎直油缸伸出，推動(dòng)刀具架，將刀具侵入到巖樣中的指定位置，由豎直推進(jìn)回路來實(shí)現(xiàn)；第2個(gè)步驟為切割破巖，當(dāng)?shù)毒呦聣旱筋A(yù)定位置后，通過液壓和機(jī)械裝置鎖緊，巖樣和刀具之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)切割破巖。直線破巖時(shí)為水平油缸帶動(dòng)直線切割巖樣箱做水平運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)破巖時(shí)為液壓馬達(dá)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)巖樣箱做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于2種試驗(yàn)不會(huì)同時(shí)進(jìn)行，所以可設(shè)計(jì)成1個(gè)液壓回路。

液壓系統(tǒng)采用2組電機(jī)和變量液壓泵，分別驅(qū)動(dòng)這2個(gè)回路。一個(gè)泵給豎直油缸供油，另一個(gè)泵給水平油缸和液壓馬達(dá)供油。通過改變泵的排量來調(diào)節(jié)執(zhí)行元件的速度。液壓系統(tǒng)工作原理如圖5所示。

3.1豎直推進(jìn)回路

變量泵3用于豎直油缸23供油，溢流閥7控制系統(tǒng)的壓力，三位四通電磁換向閥15控制油缸的下壓和上升。豎直方向上有2種工況： 一種是恒切深工況，使用雙向液壓鎖18鎖定油缸，此時(shí)二位四通電磁換向閥21處于左位，將油路斷開；另一種是恒壓力工況，二位四通閥21處于右位，接通油路。由于豎直油缸下方連接的是刀具架和破巖刀具，具有較大的自重，為了在油缸下降過程中穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)速度和避免突然下墜造成事故，安裝平衡閥19起緩沖和限速作用。在破巖試驗(yàn)過程中，刀具也會(huì)受到巖樣巨大的反作用力，對(duì)豎直油缸產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊。為了防止活塞桿突然被頂起造成油缸下腔吸空，在油缸進(jìn)油口和回油口之間連接減壓閥22，可以將少量的油液引到油缸下腔，保證下腔補(bǔ)油。

3.2切割破巖回路

豎直油缸將刀具下壓后，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)或水平推進(jìn)系統(tǒng)開始工作。轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)和水平推進(jìn)工況采用斜盤式柱塞變量泵4供油，溢流閥6控制系統(tǒng)壓力。轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)方向由三位四通電液換向閥16控制，進(jìn)行回轉(zhuǎn)切割時(shí)，由于轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較大，為防止在啟停的瞬間局部油壓劇升，采用緩沖補(bǔ)油閥24進(jìn)行保護(hù)。水平推進(jìn)和后退通過三位四通電液換向閥17控制，其回路也安裝有緩沖補(bǔ)油閥26作為安全保護(hù)措施。

1—油箱； 2—粗過濾器； 3、4—變量泵； 5—電動(dòng)機(jī)； 6—先導(dǎo)比例溢流閥； 7—安全溢流閥； 8—精過濾器； 9—熱交換器； 10—進(jìn)油單向閥； 11—截止閥； 12—壓力表； 13—電液比例調(diào)速閥； 14—背壓?jiǎn)蜗蜷y； 15—三位四通電磁換向閥； 16、17—三位四通電液換向閥； 18—雙向液壓鎖； 19—平衡閥； 20—壓力傳感器； 21—二位四通電磁換向閥； 22—減壓閥； 23—豎直液壓缸； 24—緩沖補(bǔ)油閥； 25—水平液壓缸； 26—緩沖補(bǔ)油安全閥； 27—液壓馬達(dá)。

圖5試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)原理

Fig. 5Principle of hydraulic system

4控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)采用工控機(jī)為上位機(jī)，下位機(jī)采用可編程控制器。數(shù)據(jù)的采集和控制通過PLC進(jìn)行，上位機(jī)主要通過組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，觸摸屏用于數(shù)據(jù)顯示和簡(jiǎn)單的控制。

設(shè)置在豎直油缸的拉桿位移傳感器用于測(cè)量刀具的貫入度；刀具座上的三向力傳感器用于測(cè)量試驗(yàn)過程中刀具破巖時(shí)的豎直力、滾動(dòng)力和側(cè)向力；水平液壓缸的拉線位移傳感器用于測(cè)量直線切割時(shí)的水平位移和速度；液壓馬達(dá)上的輸出軸接有動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，可以同時(shí)測(cè)量馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩；在豎直導(dǎo)軌和水平導(dǎo)軌兩端設(shè)置了行程開關(guān)；在各液壓執(zhí)行元件的進(jìn)油路上裝有壓力流量傳感器，在油箱上裝有油溫和液位傳感器等。這些傳感器采用PLC模擬量輸入模塊進(jìn)行采集，用PLC控制器控制電磁閥的動(dòng)作?？刂葡到y(tǒng)組成如圖6所示。

圖6　控制系統(tǒng)組成

4.2控制面板設(shè)計(jì)

觸摸屏控制面板上設(shè)置有總電源開關(guān)、參數(shù)顯示模塊、參數(shù)調(diào)節(jié)模塊及狀態(tài)指示模塊，方便對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。

控制面板示意圖如圖7所示。 參數(shù)顯示模塊包括豎直油缸的壓力和位移顯示，主軸的扭矩和轉(zhuǎn)速、水平油缸的推力和速度顯示；參數(shù)調(diào)節(jié)模塊可進(jìn)行豎直油缸的上升和下壓、水平油缸的推進(jìn)和回退、轉(zhuǎn)臺(tái)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的選擇以及水平油缸的推進(jìn)壓力和速度調(diào)節(jié)、馬達(dá)主軸的扭矩和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)操作； 狀態(tài)指示模塊上設(shè)置有電源指示燈，監(jiān)測(cè)馬達(dá)扭矩的報(bào)警燈以及監(jiān)測(cè)油箱的油溫和液位報(bào)警燈。

圖7　控制面板示意圖

5結(jié)論與討論

通過對(duì)TBM刀具破巖試驗(yàn)臺(tái)的研究，設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)刀具豎直下壓且集成直線破巖和回轉(zhuǎn)破巖2種模式于一體的結(jié)構(gòu)，利用ANSYS軟件驗(yàn)證了機(jī)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的可靠性。液壓與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)破巖力、破巖速度等參數(shù)的調(diào)節(jié)、控制與采集。根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了由同一套電機(jī)與液壓泵來帶動(dòng)水平運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的液壓驅(qū)動(dòng)回路，使得試驗(yàn)臺(tái)能夠滿足直線切割和回轉(zhuǎn)切割雙模式的試驗(yàn)要求。

目前，試驗(yàn)臺(tái)的各部分設(shè)計(jì)工作都已經(jīng)完成。相比較以往的單一模式試驗(yàn)臺(tái)，雙模式試驗(yàn)臺(tái)從功能上更加全面地滿足了刀具破巖試驗(yàn)的要求，同時(shí)能夠一機(jī)多用，更為經(jīng)濟(jì)。本試驗(yàn)臺(tái)的成功研制可以有效開展刀具的破巖機(jī)制試驗(yàn)研究，有助于建立最優(yōu)破巖效率計(jì)算模型以及研究TBM的掘進(jìn)關(guān)鍵參數(shù)匹配等問題。

由于盾構(gòu)實(shí)際施工的地質(zhì)情況相當(dāng)復(fù)雜，如何更準(zhǔn)確而全面地模擬刀具實(shí)際破巖工況，是此類試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)一步深入研究的方向。

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Design of Dual-mode Experimental Platform for Rock Breaking by TBM Cutters

ZHAO Changsheng, GUAN Huisheng, YANG Yandong, HE Bin, TIAN Zhijie

(SchoolofMechanicalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

Abstract:Shield tunneling is highly affected by the strata conditions and cutterhead design. As a result, the test platform can be used to study the rock-cutter interaction. The dual-mode TBM cutter experimental platform with low cost and multiple functions is developed on the basis of the existing single-mode experimental platform. The working parameters of the dual-mode experimental platform are decided on the basis of the existing research results and the design experience of single-mode experimental platform. The functions, such as cutter pressing, linear cutting and rotary cutting, as well as the parameters variation, are achieved by designing the mechanical structure and hydraulic system. The static analysis of the frame structure is studied by means of ANSYS software; the strength and the stiffness of the designed platform are verified. In addition, the control system is designed.

Keywords:TBM; cutter; dual-mode experimental platform; structure design; hydraulic system

中圖分類號(hào)：U 455.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2016)03-0338-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.03.015

作者簡(jiǎn)介：第一 趙昌盛(1991—)，男，貴州安順人，西南交通大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)在讀碩士，研究方向?yàn)槎軜?gòu)、TBM設(shè)計(jì)。E-mail: 460600307@qq.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2013BAB10B00)

收稿日期：2015-08-31； 修回日期： 2015-12-02