一种多点冲击卧式tbm刀盘缩尺试验台设计方法
【专利摘要】本发明一种多点冲击卧式TBM刀盘缩尺试验台设计方法属于全断面岩石掘进机掘进【技术领域】，涉及一种多点冲击卧式TBM刀盘缩尺试验台的设计方法。该方法中，将同步加载盘支架组件中的压力滚子布置在与刀盘刀具半径相同的圆周上，通过调整同步加载盘支架组件中的压力滚子的布置位置和数量，实现缩尺刀盘载荷频率的调整和对同步加载盘组件中同步加载盘的压力大小，实现缩尺刀盘扭矩载荷值的调整。试验台由试验台底架、刀盘驱动架、电机、联轴器、减速机、主轴承、刀盘架、缩尺刀盘组件、同步加载盘组件、同步加载盘支架组件和动力加载组件组成。该方法灵活、准确。该试验台能真实的模拟刀盘实际的工作过程，实现对刀盘动态特性的研究。
【专利说明】一种多点冲击卧式TBM刀盘缩尺试验台设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于全断面岩石掘进机掘进【技术领域】，特别涉及一种多点冲击卧式TBM刀 盘缩尺试验台的设计方法。
【背景技术】
[0002] 全断面岩石掘进机是地铁、引水等隧道工程建设的大型关键技术设备，而在掘进 过程中，刀盘是全断面岩石掘进机最主要的部件之一，它肩负着掘进开挖、支撑掌子面的功 能，是所有破岩刀具的安装载体。刀盘所受的载荷是典型的随机载荷，承受大扭矩、大推力 和随机突变的冲击载荷，在随机载荷作用下，刀盘的振动表现为受迫弹性体的随机扭转振 动和横向振动。所以刀盘的工作条件极其恶劣，受力情况十分复杂，刀盘的合理设计对提高 掘进速率、刀盘寿命、刀具寿命和刀盘大轴承寿命，降低挖掘成本，减轻掘进机震动，降低噪 音等具有重要作用。因此，设计搭建用于研宄全断面岩石掘进机刀盘特性的试验台对优化 刀盘结构和刀盘的延寿设计至关重要。
[0003] 国内在全断面岩石掘进机试验台方面的设计主要集中于滚刀破岩试验装置的设 计。具有代表性的有中铁隧道集团有限公司洪开荣等人发明的滚刀破岩试验台，中国专利 号：CN201110246883. 0,专利名称为："TBM破岩试验装置"，在该试验装置实验过程中，可测 量出刀具切削力、轴向推力、贯入度、刀间距等多项参数。但此试验台不能对刀盘进行动态 特性研宄，并且该试验台的加载采用刀具掘进岩箱的加载方式，难以对刀盘受到的载荷进 行准确控制，不便于通过控制试验台载荷进行试验研宄。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的难题，是针对现有设计的全断面岩石掘进机试验台不能对刀盘进 行动态特性试验的问题，发明一种多点冲击卧式TBM刀盘缩尺试验台的设计方法。该设计 方法采用同步加载盘组件、同步加载盘支架组件和动力加载组件对试验台的缩尺刀盘进行 多点冲击加载，通过调整同步加载盘支架组件中压力滚子的布置位置、布置数量和压力大 小，实现缩尺刀盘载荷频率和大小的控制。该方法灵活、准确。采用该方法设计的TBM刀盘 缩尺试验台，可对刀盘进行动态特性研宄，能够真实的模拟实际掘进机的掘进工况，提高实 验的准确性。
[0005] 本发明采用的技术方案是一种多点冲击卧式TBM刀盘缩尺试验台设计方法，其特 征在于，设计方法中：将同步加载盘支架组件中的压力滚子布置在与刀盘刀具半径相同的 圆周上，通过调整同步加载盘支架组件中的压力滚子的布置位置和数量，实现缩尺刀盘载 荷频率的调整；通过调整压力滚子的布置数量和对同步加载盘组件中同步加载盘的压力大 小，实现缩尺刀盘扭矩载荷值的调整，具体步骤如下：
[0006] 1)通过调整同步加载盘支架组件III中压力滚子IIIf的布置位置，对缩尺刀盘Ia 受到的载荷频率进行调整；压力滚子IIIf布置特点与缩尺刀盘Ia载荷频率调整关系如 下：
[0007] 将压力滚子IIIf沿内周向外周依次布置，布置有压力滚子的每个圆周上布置压力 滚子的数量相同，设布置有压力滚子IIIf的圆周数为K。令缩尺刀盘Ia在转动一周内，刀 盘刀具Id由缩尺刀盘Ia中心向外依次受到冲击。刀盘刀具Id个数为N，刀盘刀具编 号为Ni,i为刀盘刀具所在圆周编号为1、2、3…1队所在圆周i上的压力滚子IIIf编号为 M/、Mf、···、MiHf,η为同一圆周上压力滚子数量；设相邻圆周上两把刀盘刀具Id所 在的半径为氏、Ri+1，Ri+1半径上财^压力滚子IIIf与Ni+1刀盘刀具Id的中心夹角为爲， 夹角方向与缩尺刀盘Ia转动方向相反。Ri半径上压力滚子IIIf与队刀盘刀具Id的 中心夹角为凡，则由于压力滚子IIIf对正刀冲击活动套IIb和边刀冲击活动套IId的作用， 缩尺刀盘Ia受到的冲击载荷频率为：
[0008]
【权利要求】
1. 一种多点冲击卧式TBM刀盘缩尺试验台设计方法，其特征在于，设计方法中，将同步 加载盘支架组件中的压力滚子布置在与刀盘刀具半径相同的圆周上，通过调整同步加载盘 支架组件中的压力滚子的布置位置和数量，实现缩尺刀盘载荷频率的调整；通过调整压力 滚子的布置数量和对同步加载盘组件中同步加载盘的压力大小，实现缩尺刀盘扭矩载荷值 的调整；具体步骤如下： 1) 通过调整同步加载盘支架组件（III)中压力滚子（IIIf)的布置位置，对缩尺刀盘(Ia)受到的载荷频率进行调整；压力滚子（IIIf)布置特点与缩尺刀盘（Ia)载荷频率 调整关系如下： 将压力滚子（IIIf)沿内周向外周依次布置，布置有压力滚子的每个圆周上布置压力 滚子的数量相同，设布置有压力滚子（IIIf)的圆周数为K;令缩尺刀盘（Ia)在转动一周 内，刀盘刀具（Id)由缩尺刀盘（Ia)中心向外依次受到冲击；刀盘刀具（Id)个数为 N，刀盘刀具编号为队，i为刀盘刀具所在圆周编号为1、2、3…1队所在圆周i上的压力滚 子（IIIf)编号为风1、Mf、…、M/、…n为同一圆周上压力滚子数量；设相邻圆周上两 把刀盘刀具（Id)所在的半径为Ri、Ri+1，Ri+1半径上从^压力滚子（Illf)与Ni+1刀盘刀具 (Id)的中心夹角为爲"，夹角方向与缩尺刀盘（Ia)转动方向相反成半径上压力滚 子（Illf)与队刀盘刀具（Id)的中心夹角为/?/_.则由于压力滚子（Illf)对正刀冲击活 动套（IIb)和边刀冲击活动套（IId)的作用，缩尺刀盘（Ia)受到的冲击载荷频率为：
其中，a为缩尺刀盘（Ia)转动角速度；t为缩尺刀盘（Ia)受到两次冲击之间的时 间间隔；为满足刀盘刀具（Id)由内周向外周依次受到冲击作用，则应满足条件：
则在半径氏所在圆周上，第j个压力滚子（IIIf)与第1个压力滚子间的夹角为：
则在半径氏所在圆周上，压力滚子（IIIf)个数n应满足条件：
根据公式（2)、（3)、（4)应满足的条件，通过调整相邻圆周上压力滚子（IIIf)与刀盘刀 具（Id)中心角的差值/私-/彳"的大小和同一圆周上压力滚子（IIIf)的数量n及布置压 力滚子的圆周数量K，即可调整缩尺刀盘（Ia)受到的冲击载荷频率； 2) 通过改变同步加载盘支架组件（III)中压力滚子（IIIf)的压力，调整同步加载盘(IIa)受到的转矩载荷大小即调整缩尺刀盘（Ia)受到的转矩载荷大小；每把刀盘刀具 (Id)所在圆周上布置的压力滚子（IIIf)数量n和单个压力滚子对同步加载盘（IIa)的 压力F对缩尺刀盘（Ia)转矩载荷调整关系如下： 单个压力滚子（IIIf)相对同步加载盘（Ia)滚动时，对同步加载盘（Ia)产生的滚 动摩擦阻力为：
其中，匕为单个压力滚子（IIIf)对同步加载盘（Ia)产生的滚动摩擦阻力；F为单个 压力滚子（IIIf)对同步加载盘（Ia)压力；r为压力滚子半径；yk为滚动摩擦系数； 则所有压力滚子IIIf对同步加载盘（Ia)产生的扭矩载荷为：
其中，T为所有压力滚子（IIIf)对同步加载盘（Ia)产生的扭矩载荷；f为单个压力 滚子（IIIf)对同步加载盘（Ia)产生的滚动摩擦阻力况为第i把刀盘刀具（Id)所 在半径大小；N为刀盘刀具（Id)的个数；n为每把刀盘刀具所在圆周上布置的压力滚子 (IIIf)数量；将（5)式带入（6)式，得：
从上式可知，通过改变每把刀盘刀具（Id)所在圆周上布置的压力滚子（IIIf)的数 量n和单个压力滚子对同步加载盘（IIa)的压力F可对缩尺刀盘（Ia)转矩载荷进行调 整。
2.如权利要求1所述的一种多点冲击卧式TBM刀盘缩尺试验台设计方法，其特征在于， 该设计方法采用的试验台为卧式结构，它由试验台底架（1)、刀盘驱动架（2)、电机（3)、联 轴器（4)、减速机（5)、主轴承（6)、刀盘架（7)、缩尺刀盘组件（I)、同步加载盘组件（II)、 同步加载盘支架组件（III)和动力加载组件（IV)组成；刀盘驱动架（2)用螺钉安装在试 验台底架⑴上，电机（3)和减速机（5)用螺栓安装在刀盘驱动架⑵上，每台电机⑶的 输出轴与每台减速机（5)的输入轴之间用联轴器（4)连接，减速机（5)的输出孔与主轴承 (6)的小齿轮轴配合连接；主轴承（6)由螺栓安装在刀盘驱动架（2)上，主轴承内圈与刀盘 架（7)用螺栓连接； 缩尺刀盘组件（I)由缩尺刀盘（Ia)、边刀座（Ib)、正刀座（Ic)和刀盘刀具(Id)组成，缩尺刀盘（Ia)与刀盘架（7)焊接，正刀座（Ic)和边刀座（Ib)安装在 缩尺刀盘（Ia)盘面上，刀盘刀具（Id)为圆形触头形式，刀盘刀具（Id)用螺钉安装 在边刀座（Ib)或正刀座（Ic)上； 同步加载盘组件（II)由同步加载盘（IIa)、正刀冲击活动套（IIb)、边刀冲击活动 套（IId)和刀具冲击固定套（IIc)组成，同步加载盘（IIa)与缩尺刀盘（Ia)同轴心 安装，刀具冲击固定套（IIc)用螺钉安装在同步加载盘（IIa)上，正刀冲击活动套（IIb) 与正刀座（Ic)上的刀盘刀具（Id)配合安装，边刀冲击活动套（IId)与边刀座（Ib) 上的刀盘刀具（Id)配合安装，正刀冲击活动套（IIb)和边刀冲击活动套（IId)与刀具 冲击固定套（IIc)同轴心配合； 所述的同步加载盘（IIa)为圆盘型，圆盘外轮廓为圆弧形，盘面上加工有与刀盘刀具(Id)数量和布置方法相同的方形孔（IIe);正刀冲击活动套（IIb)和边刀冲击活动套 (IId)的一端为圆柱筒与刀盘刀具（Id)的触头配合安装，另一端为方形平板与同步加载 盘（IIa)的方形孔（IIe)配合安装，并且方形平板面与同步加载盘（IIa)盘面处于同一 平面； 同步加载盘支架组件（III)由两个支架底座（Ilia)、两个滑动柱（IIIb)、两个滑动副(IIIc)、两个滑动框架（IIId)、四个弹簧圆弧支撑块（IIIe)、若干压力滚子（IIIf)和压力 滚子安装盘（IIIg)组成，四个弹簧圆弧支撑块（IIIe)用螺钉安装在两个滑动框架（IIId) 的两端，弹簧圆弧支撑块（IIIe)的支撑面为一部分球面，球面半径与同步加载盘（IIa)外 径相同；压力滚子（IIIf)在压力滚子安装盘（IIIg)径向固定，沿轴向可调节位置；滑动框 架上用螺钉安装有滑动柱（IIIb)，滑动柱与支架底座（Ilia)的滑动副（IIIc)配合，支架底 座（Ilia)用螺钉安装在试验台底架（1)上，压力滚子安装盘（IIIg)用螺栓安装在两个滑 动框架（IIId)上，压力滚子（IIIf)安装在压力滚子安装盘（IIIg)上，四个弹簧圆弧支撑 块（IIIe)沿圆周支撑同步加载盘（IIa)，压力滚子（IIIf)与同步加载盘（IIa)盘面接 触； 动力加载组件（IV)由液压作动器前支架（IVa)、加载滚子（IVb)、加载滚子支撑座(IVc)、滑杆（IVd)、滑杆滑动副（IVe)、滑杆底座（IVf)、液压作动器（IVg)和反力墙 (IVh)组成；反力墙（IVh)焊接和栓接在试验台底架（1)上，液压作动器（IVg) -端用 螺钉安装在反力墙（IVh)上，另一端与滑杆底座（IVf)用螺钉连接，滑杆（IVd) -端用 螺钉安装在滑杆底座（IVf)上，滑杆（IVd)另一端与加载滚子支撑座（IVC)焊接，加载 滚子（IVb)安装在加载滚子支撑座（IVc)上，加载滚子（IVb)与同步加载盘（IIa)盘 面接触，液压作动器前支架（IVa)上安装有滑杆滑动副（IVe)，滑杆（IVd)与滑杆滑动副 (IVe)配合。
【文档编号】G01N3/38GK104483220SQ201410851013
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月31日 优先权日:2014年12月31日
【发明者】霍军周, 周建军, 李广庆, 吴瀚洋 申请人:大连理工大学, 盾构及掘进技术国家重点实验室