本发明涉及了一种模拟试验系统，尤其是涉及了一种泥水平衡盾构综合模拟试验台掘进及姿态模拟试验系统。
技术背景
盾构是用于地下隧道工程建设的重大装备，一般分为泥水平衡盾构、土压平衡盾构、气压平衡盾构三类。泥水平衡盾构适应于含水量丰富的砂砾卵石地层，能够有效解决开挖面稳定难题，且在覆土较浅而且地表沉降控制严格的场合，泥水平衡盾构具有突出的精确控制优势，已经广泛应用于海底隧道、跨江隧道和沿海城市地底工程的建设。
推进系统作为盾构的关键子系统不仅需要提供足够的驱动力以克服作用在刀盘正面的土压力、盾壳上的摩擦力、盾尾密封刷的摩擦力等阻力驱动盾构前进，还需要通过控制盾构推进姿态保证盾构沿隧道设计轴线掘进。盾构机运动轨迹与隧道设计轴线的位置偏差大小直接影响隧道施工质量。由于盾构掘进过程中地层不均和盾构自身结构原因，盾构轨迹失准问题是困扰盾构施工的众多难题之一，对施工过程中盾构机的姿态进行测量和控制是确保盾构按设计轴线掘进的关键。
另一方面，推进系统所提供的推进力的大小直接影响着掘进刀盘的切削力大小，因此推进系统不仅仅影响着盾构在施工过程中的姿态，而且对其掘进过程也有着深刻的影响，表现为多系统的耦合作用。
泥水盾构机的推进是通过连接在盾尾沿圆周布置的多个推进缸来实现的，推进液压缸缸筒一端通过球绞固定在盾尾背板上，活塞杆末端与撑靴球铰连接，撑靴压在拼装铺布好的管片衬砌上，提供反作用力。推进系统的推进液压缸通常采用分区控制方式，为四组分区和五组分区两种。通过控制不同分区液压缸的行程或推进力，控制盾构的姿态。
泥水平衡盾构在工程中具有六个运动自由度，现有的泥水盾构试验台中，盾体的约束较多，使得其自由度减少至3以下，最多能完成俯仰、偏转和推进等三种姿态调整，与实际情况差别较大，且大多数试验台的姿态不可测算，具有一定的局限性。
技术实现要素：
为了解决
背景技术：
中存在的问题，本发明深入研究了泥水平衡盾构刀盘驱动与姿态调整方面，提供了一种泥水平衡盾构综合模拟试验台掘进及姿态模拟试验系统，可便捷实现刀盘扭矩实际工况的还原，可通过加载缸的加载力进行正面岩土阻力不均、四周岩土摩擦力不均等的载荷模拟，可通过随动支撑机构支撑起盾体，并随其完成五自由度的姿态模拟，可通过带增量编码器的虎克铰装置实时测量盾体姿态。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括反力墙、模拟试验系统主体、加载液压组件、推进液压组件、随动支撑机构和底板，底板上的两侧均固定安装有反力墙，两侧的反力墙中间布置有模拟试验系统主体，模拟试验系统主体底部安装有随动支撑机构，一侧的反力墙墙面上安装有四个加载液压组件，另一侧侧的反力墙墙面上分别安装有四个推进液压组件，加载液压组件和推进液压组件连接到模拟试验系统主体的两侧；通过加载液压组件和推进液压组件推动模拟试验系统主体在随动支撑机构支撑下进行垂直方向俯仰和升降、水平方向扭转和偏移以及盾构方向的进退的五个自由度的运动。
所述的模拟试验系统主体包括依次连接且相互隔离不连通的气压舱筒体、泥水舱筒体和过渡罩，气压舱筒体的一端经推进液压组件连接到一侧的反力墙，气压舱筒体的另一端与泥水舱筒体的一端连接，泥水舱筒体的另一端与过渡罩的一端连接，过渡罩的另一端经加载液压组件连接到另一侧的反力墙；与泥水舱筒体连接的过渡罩内端面中心固定增速器的一端，加载泵固定连接在增速器的另一端，气压舱筒体内安装齿轮箱，泥水舱筒体内安装刀盘，气压舱筒体外设有两个驱动马达，两个驱动马达固定安装到与推进液压组件连接的气压舱筒体端面上；两个驱动马达的输出轴穿过气压舱筒体端面伸入到气压舱筒体内并和齿轮箱的输入端连接，齿轮箱输出端穿过气压舱筒体端面伸入到泥水舱筒体内并和刀盘一端刀盘轴连接，增速器的输出轴穿过过渡罩端面伸入到泥水舱筒体内并经扭矩传感器和刀盘另一端刀盘轴连接；驱动马达通过齿轮箱驱动刀盘绕自身中心轴旋转，加载泵通过增速器、扭矩传感器和刀盘的刀盘轴连接，为刀盘提供扭矩负载。
通过调节所述加载泵的出口压力即可产生不同的扭矩，并可通过所述扭矩传感器测量并记录所述刀盘所处的不同扭矩工况，以便捷地实现所述刀盘在泥水盾构机软硬等不同土层下推进掘削时，实际工况的模拟。
所述的随动支撑机构布置在过渡罩下部。本发明在过渡罩下面固定有随动支撑机构，随动支撑机构下部与底板接触，可支撑起整个载荷与姿态模拟试验系统的主体，并跟随过渡罩运动，使主体灵活地进行垂直方向俯仰、升降，水平方向扭转、偏移，推进和后退等5个自由度的运动。
四个液压缸均沿过渡罩端面的圆周周向间隔在均布布置，四个推进液压组件均沿气压舱筒体端面的圆周周向间隔均布布置。
所述的推进液压组件和加载液压组件结构相同，以加载液压组件为例说明：所述的加载液压组件包括液压缸、万向铰测量结构、球铰和力传感器，液压缸缸筒侧通过螺栓与万向铰测量结构的一端固定连接，万向铰测量结构的另一端通过螺栓与反力墙固定连接，液压缸活塞杆侧通过球铰连接到力传感器，力传感器通过螺栓连接到模拟试验系统主体的端面上。
所述万向铰测量结构包括固定支座、增量编码器、十字轴和活动支座，固定支座固定在反力墙上，活动支座连接到液压缸，固定支座和活动支座之间通过十字轴铰接，十字轴的两个方向旋转轴上均安装有增量编码器。
两侧的两个反力墙上部通过加固杆固定连接。
所述的随动支撑机构包括浮动顶板、铰接轴、浮动支板、支撑液压缸、支撑底板和重载万向球；浮动顶板底部通过铰接轴与浮动支板顶部铰接，所述浮动顶板绕所述铰接轴轴线方向的转动运动，浮动支板底部的四角分别通过各自的支撑液压缸垂直连接到支撑底板顶面，实现浮动支板相对支撑底板的垂直方向平动运动；支撑底板底部均布装有若干重载万向球。
还包括主要由油箱、溢流阀、电机、联轴器、液压泵、蓄能器、单向阀、三通减压阀、座阀组成的随动液压系统，随动液压系统连接于支撑液压缸；支撑液压缸的无杆腔经座阀连接到三通减压阀的a口，有杆腔并联接入到油箱，三通减压阀的t口连接油箱，电机经联轴器与液压泵的轴端连接，液压泵的输入端连接油箱，液压泵的输出端经单向阀和三通减压阀的p口连接，溢流阀并联在液压泵的输入输出两端上，蓄能器连接到液压泵的输出端，通过蓄能器对所述电比例三通减压阀p口-a口油路补油。
通过控制支撑液压缸的无杆腔压力，使得所述四个支撑液压缸输出力的合力与浮动顶板上放置的盾体重力相等，以抵消盾体自重。通过座阀控制切断所述支撑液压缸无杆腔油路。
本发明通过调节所述四个推进液压组件的液压缸油压压力，对所述气压舱筒体的端面产生不同的推进力；同时通过调节所述四个加载液压组件的液压缸油压压力，对所述过渡罩的端面产生不同的加载力，实现泥水盾构机在掘进时遇到的正面岩土阻力不均、四周岩土摩擦力不均等不同载荷情况的模拟，以及由负载不均引起的五个自由度的姿态偏差的模拟。
所述的垂直方向俯仰是指模拟试验系统主体绕同时垂直于盾构方向而平行于水平面的直线轴的旋转运动，如图1中为模拟试验系统主体绕垂直于纸面的轴旋转运动。
所述的垂直方向升降是指模拟试验系统主体沿垂直于盾构推进方向和水平面的上下平移运动，如图1中为模拟试验系统主体沿平行纸面的上下移动运动。
所述的水平方向扭转是指模拟试验系统主体绕同时垂直于水平面的直线轴的旋转运动，如图1中为模拟试验系统主体绕平行于纸面的竖直轴旋转运动。
所述的水平方向偏移是指模拟试验系统主体沿水平面的平移运动，如图1中为模拟试验系统主体沿垂直于纸面的内外移动运动。
盾构方向是指如图1中左右水平移动方向，盾构方向的进退是指沿盾构方向的平移运动。
本发明改变了仅有一个推进液压的试验模拟结构，在两侧均设置有进行液压加载，并还设计了具有加载泵、增速器、随动支撑机构等完整模拟功能的模拟试验系统主体，而共同实现泥水平衡盾构综合模拟试验台的完善掘进及姿态模拟试验。
本发明利用加载泵提供不同的扭矩，实现泥水盾构机软硬等不同土层下掘削工况的模拟；利用控制四个加载液压缸的加载力，实现泥水盾构机在掘进时遇到的正面岩土阻力不均、四周岩土摩擦力不均等不同载荷情况的模拟；利用带增量编码器的万向铰测量结构实时测量每个加载液压缸在水平方向和垂直方向上的偏转角度，可实现姿态的解算。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过加载泵提供不同的扭矩，便捷实现泥水盾构机软硬等不同土层下推进掘削时，刀盘实际工况的还原。
本发明通过控制四个加载液压缸的加载力，实现泥水盾构机在掘进时遇到的正面岩土阻力不均、四周岩土摩擦力不均等不同载荷情况的模拟。
本发明通过随动支撑机构支撑起模拟试验系统的主体，并跟随其运动，使主体灵活地进行垂直方向俯仰、升降，水平方向扭转、偏移，推进和后退等5个自由度的运动。
本发明通过带增量编码器的虎克铰装置实时测量每个加载液压缸在水平方向和垂直方向上的偏转角度，进而得到模拟试验系统主体的当前姿态。
附图说明
图1是本发明的实例系统结构示意图。
图2是本发明的实例系统结构中万向铰测量结构的示意图。
图3是本发明的随动支撑机构的结构示意图。
图4是本发明的随动支撑机构的随动液压系统示意图。
图中：1-反力墙；2-加固杆；3-万向铰测量结构；4-液压缸；5-球铰；6-力传感器；7-加载泵；8-增速器；9-扭矩传感器；10-刀盘；11-齿轮箱；12-驱动马达；13-推进液压组件；14-气压舱筒体；15-泥水舱筒体；16-过渡罩；17-随动支撑机构；18-底板；301-固定支座；302-增量编码器；303-十字轴；304-活动支座；1701-浮动顶板；1702-铰接轴；1703-弹性挡圈；1704-浮动支板；1705-支撑液压缸；1706-支撑底板；1707-重载万向球；1709-油箱、1710-溢流阀、1711-电机、1712-联轴器、1713-液压泵、1714-单向阀、1715-蓄能器、1716-三通减压阀、1717-座阀。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实例作进一步的描述：
如图1所示，本发明具体实施包括反力墙1、模拟试验系统主体、加载液压组件、推进液压组件13、随动支撑机构17和底板18，底板18上的两侧均固定安装有反力墙1，两侧的反力墙1中间布置有模拟试验系统主体，模拟试验系统主体底部安装有随动支撑机构17，模拟试验系统主体底部通过随动支撑机构17支撑于底板18上，一侧的反力墙1墙面上安装有四个加载液压组件，另一侧侧的反力墙1墙面上分别安装有四个推进液压组件，加载液压组件和推进液压组件连接到模拟试验系统主体的两侧；通过随动支撑机构17支撑模拟试验系统主体伴随其运动，通过加载液压组件和推进液压组件13推动模拟试验系统主体在随动支撑机构17支撑下灵活地进行垂直方向俯仰和升降、水平方向扭转和偏移以及盾构方向的进退的五个自由度的运动。
模拟试验系统主体包括依次连接且相互隔离不连通的气压舱筒体14、泥水舱筒体15和过渡罩16，气压舱筒体14的一端经推进液压组件13连接到一侧的反力墙1，气压舱筒体14的另一端与泥水舱筒体15的一端连接，泥水舱筒体15的另一端与过渡罩16的一端连接，过渡罩16的另一端经加载液压组件连接到另一侧的反力墙1；过渡罩16与泥水舱筒体15之间通过螺栓连接两者端面，与泥水舱筒体15连接的过渡罩16内端面中心固定增速器8的一端，加载泵7固定连接在增速器8的另一端，气压舱筒体14内安装齿轮箱11，泥水舱筒体15内安装刀盘10，气压舱筒体14外设有两个驱动马达12，两个驱动马达12固定安装到与推进液压组件13连接的气压舱筒体14端面上；两个驱动马达12的输出轴穿过气压舱筒体14端面伸入到气压舱筒体14内并和齿轮箱11的输入端连接，齿轮箱11输出端穿过气压舱筒体14端面伸入到泥水舱筒体15内并和刀盘10一端刀盘轴连接，增速器8的输出轴穿过过渡罩16端面伸入到泥水舱筒体15内并经扭矩传感器9和刀盘10另一端刀盘轴连接；驱动马达12通过齿轮箱11驱动刀盘10绕自身中心轴旋转，加载泵7通过增速器8、扭矩传感器9和刀盘10的刀盘轴连接，加载泵7置于泥浆环境内，为刀盘10提供扭矩负载。
通过调节所述加载泵7的出口压力即可产生不同的扭矩，并可通过所述扭矩传感器9测量并记录所述刀盘10所处的不同扭矩工况，以便捷地实现所述刀盘10在泥水盾构机软硬等不同土层下推进掘削时，实际工况的模拟。
推进液压组件13和加载液压组件结构相同，以加载液压组件为例说明：所述的加载液压组件包括液压缸4、万向铰测量结构3、球铰5和力传感器6，液压缸4缸筒侧通过螺栓与万向铰测量结构3的一端固定连接，万向铰测量结构3的另一端通过螺栓与反力墙1固定连接，液压缸4活塞杆侧通过球铰5连接到力传感器6，力传感器6通过螺栓连接到模拟试验系统主体的端面上，从而反力墙1与模拟试验系统主体之间形成并联机构。四个液压缸4均沿过渡罩16端面的圆周周向间隔在均布布置，四个推进液压组件13均沿气压舱筒体14端面的圆周周向间隔均布布置。
如果是加载液压组件，力传感器6通过螺栓连接到过渡罩16的端面上，反力墙1与过渡罩16之间形成并联机构。如果是推进液压组件13，那么力传感器6通过螺栓连接到气压舱筒体14的端面上，反力墙1与气压舱筒体14之间形成并联机构。
万向铰测量结构包括固定支座301、增量编码器302、十字轴302和活动支座304，固定支座301固定在反力墙1上，活动支座304连接到液压缸，固定支座301和活动支座304之间通过十字轴302铰接，即十字轴302主要由两根方向旋转轴交叉连接构成，十字轴302其中一个方向对称的两端铰接于固定支座301，十字轴302另一方向对称的两端铰接于活动支座304，十字轴302的两个方向旋转轴上均安装有增量编码器302。
本发明的万向铰测量结构采用虎克铰机构，十字轴上的一个轴与固定支座转动连接形成一个转动副，而十字轴的另一个轴亦与活动支座转动连接形成另一个转动副，两个转动副的轴线垂直相交，两个转动副上各设一个增量编码器以分别测量相对转角及相对转角角速度。通过万向铰测量结构3中的两个增量编码器302实时测量每个液压缸4相对于反力墙1在水平方向和垂直方向上的偏转角度，经姿态解算得到模拟试验系统主体的当前姿态。
两侧的两个反力墙1上部通过加固杆2固定连接，以加固整个试验系统的约束框架。
随动支撑机构17布置在过渡罩16下部。如图3所示，本发明具体实施的随动支撑机构主要由浮动顶板1701、铰接轴1702、弹性挡圈1703、浮动支板1704、支撑液压缸1705、支撑底板1706和重载万向球1707组成。浮动顶板1701为下凹的弧面，弧面上放置模拟试验系统主体，浮动顶板1701底部通过铰接轴1702与浮动支板1704顶部铰接，所述浮动顶板1701绕所述铰接轴1702轴线方向的转动运动，铰接轴1702端部设有弹性挡圈1703进行轴向限位固定，浮动支板1704底部的四角分别通过各自的支撑液压缸1705垂直连接到支撑底板1706顶面，实现浮动支板1704相对支撑底板1706的垂直方向平动运动；支撑底板1706底部均布装有若干重载万向球1707，使得支撑底板1706底部通过滚动连接于所放置的水平平面，实现整个随动支撑机构在水平平面上的前后平动、左右平动和偏转转动三种运动。
如图4所示，包括随动液压系统，随动液压系统主要由油箱1709、溢流阀1710、电机1711、联轴器1712、液压泵1713、单向阀1714、蓄能器1715、三通减压阀1716、座阀1717组成，随动液压系统连接于支撑液压缸1705。支撑液压缸1705的无杆腔经座阀1717连接到三通减压阀1716的a口(控制口)，有杆腔并联接入到油箱1709，三通减压阀1716的t口连接油箱，电机1711经联轴器1712与液压泵1713的轴端连接，液压泵1713的输入端连接油箱1709，液压泵1713的输出端经单向阀1714和三通减压阀1716的p口连接，溢流阀1710并联在液压泵1713的输入输出两端上，蓄能器1715连接到液压泵1713的输出端，通过蓄能器1715对所述电比例三通减压阀1716p口-a口油路补油。浮动支板1704底部四角的四个支撑液压缸1705的无杆腔均经座阀1717连接到三通减压阀1716的a口。具体实施中的三通减压阀1716为电比例三通减压阀。
浮动支板1704底部四角的四个支撑液压缸1705的无杆腔均经座阀1717连接到三通减压阀1716的a口。浮动顶板1701为下凹的弧面，弧面上放置模拟试验系统主体。
本发明的具体原理和工作过程是：
两个驱动马达12通过齿轮箱11驱动刀盘10旋转时，刀盘10通过扭矩传感器9和增速器8带动加载泵7旋转，此时的加载泵7处于泵工况，调节加载泵7的出口压力即可产生不同的扭矩，并可通过扭矩传感器9测量并记录刀盘10所处的不同扭矩工况，以便捷地实现刀盘10扭矩实际工况的模拟及精确的还原。
一方面，分别调节四个加载液压组件中的液压缸无杆腔的压力，对如图1过渡罩16的左侧面圆周端面布置的四个球铰5连接处产生不同的加载力。螺栓连接的过渡罩、泥水舱筒体和气压舱筒体以及其中固定的加载泵7、刀盘10、驱动马达12等所组成的载荷与姿态模拟试验系统的主体，由于不同的加载力施加产生水平方向偏转、偏移及垂直方向俯仰、偏移等不同的姿态偏差。
过渡罩16下固定有随动支撑机构17，随动支撑机构下部与底板接触，可支撑起整个模拟试验系统的主体，并跟随其运动，使主体灵活地进行垂直方向俯仰、升降，水平方向扭转、偏移，推进和后退等5个自由度的运动。进而，四个液压缸4分别布置在过渡罩16的上下左右方向，通过调节每个液压缸4不同的压力，如上方液压缸4压力大，下方液压缸4压力小，实现上硬下软地质的模拟，其他工况如左软右硬等工况可以用类似方法实现，由此实现泥水盾构机在实际工况中由于正面岩土阻力不均、四周岩土摩擦力不均等几种负载的模拟，以及由负载不均引起的5自由度的姿态偏差的模拟。
另一方面，分别调节四个推进液压组件中的液压缸无杆腔的油液压力，使上下左右不同位置的液压缸对如图1所示的气压舱筒体14右侧面圆周端面的四个球铰5连接处产生不同的推进力，进而模拟泥水盾构机姿态调整时对不同分组的推进液压缸的推进力控制。姿态调整中的模拟试验系统主体亦通过随动支撑机构17的支撑与灵活随动，实现姿态的变化。四个加载液压缸左侧分别螺栓连接的万向铰测量结构，可实时测得每个加载液压缸在水平方向和垂直方向上的偏转角度及角加速度，并配以每个加载液压缸的伸缩速度及位移，经h-d坐标变换法换算，可得到载荷与姿态模拟试验系统主体的俯仰角、水平偏移角、垂直偏移量、水平偏移量等多个泥水盾构机的当前姿态参数。
另外对于随动支撑机构的具体工作过程是：
模拟试验系统主体放置在浮动顶板1701上部的弧面上但不进行机械连接，在运动过程中，浮动顶板1701跟随盾体的运动。随动支撑机构采用铰接轴1702连接浮动顶板1701与浮动支板1704，实现浮动顶板1701绕铰接轴1702轴线方向的转动运动。
随动支撑机构采用四个支撑液压缸1705垂直固结到支撑底板1706与浮动支板1704之间，实现浮动支板相对支撑底板的垂直方向平动运动。
随动支撑机构采用若干重载万向球分布在支撑底板下面，支撑底板布置于钢板上方，重载万向球与摩擦阻力小的钢板接触而支撑起整个随动支撑机构。每个重载万向球均可在钢板上滚动，滚动部件为球体，实现整个随动支撑机构在水平平面上的前后平动、左右平动、转动三种运动。
随动液压系统采用四个支撑液压缸，无杆腔并联连接三通减压阀a口(控制口)，有杆腔并联接入油箱，通过控制无杆腔压力为某一值，实现四个支撑液压缸输出力的合力与盾体重力相等，抵消盾体自重。
盾体所受合力垂直分力时，电比例三通减压阀阀芯稳定在一定位置，p-a(进油口-控制口)与a-t(控制口-卸油口)均关闭，无杆腔无油液流入流出，盾体固定在某一垂直位置上；盾体的受力有垂直方向的分力时，支撑液压缸无杆腔压力有减小或增大趋势，电比例三通减压阀p-a打开或a-t打开，无杆腔有油液流入或流出，以满足支撑液压缸无杆腔压力保持不变，动态的抵消盾体重力，盾体上升或下降。
系统采用座阀1717切断支撑液压缸无杆腔油路，实现盾体垂直位置的锁定；采用蓄能器1715实现盾体在快速垂直上升时，电比例三通减压阀1716的p-a油路的补油。
由上述实施可见，本发明通过加载泵提供不同的扭矩，能便捷地实现泥水盾构机软硬等不同土层下推进掘削时，刀盘实际工况的还原，实现泥水盾构机在掘进时遇到的正面岩土阻力不均、四周岩土摩擦力不均等不同载荷情况的模拟，还包括五个自由度的运动，具有其突出显著的技术效果。