盾构掌子面开挖稳定性精细模拟试验装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种盾构掌子面开挖稳定性精细模拟试验装置，由手轮、减速器、齿轮、滑轴、转套、螺母套、丝杆、接杆、刀盘、丝杆轴座、摇把、土压力传感器和截齿组成，转动摇把，带动丝杆转动，丝杆与螺母套产生相对转动，螺母套带动刀盘完成快速进退；当第一齿轮卡在第二齿轮上，转动手轮，丝杆与螺母套相对转动速度较慢，螺母套通过接杆带动刀盘，实现刀盘慢进慢退；当第一齿轮卡在第三齿轮上，转动手轮，滑轴转动带动齿轮转动，转套带动螺母套转动，丝杆也随着螺母套转动；当拧紧丝杆上的松紧螺丝，转动手轮，转套带动螺母套转动，螺母套转动的同时与丝杆发生相对转动，螺母套通过接杆带动刀盘旋进或旋退。本发明可在一套试验装置中同时精细模拟盾构隧道开挖过程中的刀盘的进退、旋转和旋进/旋退等工况。
【专利说明】盾构掌子面开挖稳定性精细模拟试验装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种盾构掌子面开挖稳定性精细模拟试验装置，尤其是能够模拟盾构隧道施工过程中的刀盘进退、刀盘旋转和刀盘旋进/旋退等多种工况。
【背景技术】
[0002]在盾构隧道开挖过程中，经常会遇到砂卵石地层等不稳定地层，此类地层掌子面稳定性事故时有发生。关于该技术难题，有些学者进行理论和数值方面的研究，有些学者则进行了试验研究。在盾构隧道施工过程中，刀盘会有进退、旋转和旋进/旋退等运动方式，但是，目前尚无能够同时精细模拟这三种工况的试验装置。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种盾构掌子面开挖稳定性精细模拟试验装置。
[0004]本发明提出的盾构掌子面开挖稳定性精细模拟试验装置，由手轮1、减速器2、第一齿轮3、滑轴4、滑轴座5、第二齿轮6、螺母座7、转套8、螺母套9、丝杆10、接杆11、刀盘12、第三齿轮13、丝杆轴座14、松紧螺丝15、摇把16、土压力传感器17和截齿18组成，其中:
刀盘12前表面开挖有小孔，用于放置土压力传感器17，并在刀盘12前表面均匀布置有截齿18 ;接杆11为中部空心结构，其一端固定于刀盘12上，另一端连接螺母套9，丝杆10插入螺母套9和接杆11内部组成的空心部位，丝杆10的外螺纹与螺母套9的内螺纹咬合，使丝杆10能在所述空心部位来回移动；丝杆10上设有第三齿轮13，且第三齿轮13位于螺母套9外，丝杆10另一侧通过松紧螺丝15固定在丝杆轴座14上，丝杆10端部连接摇把16 ；螺母套9外壁上套有转套8，所述转套8上套有第二齿轮6和螺母座7 ;所述手轮I连接减速器2，另一端连接滑轴4，滑轴4上套有第一齿轮3，第一齿轮3能在滑轴4上来回移动，滑轴4另一端固定在滑轴座5上；使用时，第二齿轮6和第三齿轮13分别能与第一齿轮3相咬合；
转动摇把16，带动丝杆10转动，转套8与螺母套9的相对转动由键锁死，二者只能发生轴向相对滑动，丝杆10与螺母套9产生相对转动，由于丝杆10轴向位移锁死，螺母套9带动接杆11以及刀盘12完成快速进退；当第一齿轮3卡在第二齿轮6上，转动手轮1，减速器2减速，使丝杆10转速降低，丝杆10与螺母套9相对转动速度较慢，螺母套9通过接杆
11带动刀盘12，实现刀盘12的慢进慢退；当第一齿轮3卡在第三齿轮13上，转动手轮1，滑轴4转动带动第一齿轮3和第三齿轮13转动，转套8带动螺母套9转动，由于轴承作用在丝杆10上的滑动摩擦力矩小于螺母套9作用在丝杆10上的静摩擦力矩，故丝杆10也随着螺母套9转动；当拧紧丝杆10上的松紧螺丝15，转动手轮1，转套8带动螺母套9转动，由于丝杆10转动自由度被约束，螺母套9转动的同时也与丝杆发生相对转动，螺母套9通过接杆带动刀盘12旋进或旋退。
[0005]本发明的有益成果是，可以在一套试验装置中同时精细模拟盾构隧道开挖过程中的刀盘的进退、旋转和旋进/旋退等工况。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]图1是刀盘在最右位置时整体装配平面图。
[0007]图2是刀盘在最左位置时整体装配平面图。
[0008]图3是慢进慢退工况平面图。
[0009]图4是慢进慢退工况立体图。
[0010]图5是旋转工况平面图。
[0011]图6是旋转工况立体图。
[0012]图7是旋进/旋退工况立体图。
[0013]图8是螺母套与接杆连接立体图。
[0014]图9是刀盘土压力传感器和截齿布置图。
[0015]图中标号:1.手轮，2.减速器(NRV63，i=10)，3.第一齿轮，4.滑轴，5.滑轴座，
6.第二齿轮，7.螺母座，8.转套，9.螺母套，10.丝杆，11.接杆，12.刀盘，13.第三齿轮，14.丝杆轴座，15.松紧螺丝，16.摇把，17.土压力传感器，18.截齿。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进一步说明。
[0017]实施例1:在图1中，刀盘12、接杆11和螺母套9处在最右位置处，此时第一齿轮3与第二齿轮6和第三齿轮13脱离，摇把16与丝杆10相连，松开松紧螺丝15，转动摇把16，由于螺母座7与转套8外侧的静摩擦力矩大于丝杆10与螺母套9内侧的动摩擦力矩，转套8与螺母套9不发生转动，丝杆10与螺母套9沿着螺纹发生相对转动，同时发生轴向相对运动，由于丝杆10轴向位移被约束，因此螺母套9向左移动，同时带动接杆11和刀盘12向左移动，直到最左位置处，见图2。反向转动摇把16，刀盘12从最左位置移动到最右位置，实现了刀盘12的快进快退。
[0018]在图3和图4中，在滑轴4上移动第一齿轮3，使其与第三齿轮13咬合，松开松紧螺丝15，转动手轮I，经过减速器2，所述减速器2采用NRV63，i=102，第一齿轮3转速为手轮I转速的0.1倍，第一齿轮3同时带动第三齿轮13转动，第三齿轮13带动丝杆10转动，丝杆10与螺母套9发生轴向相对移动。正向或者反向转动手轮1，可以实现刀盘12的慢进或慢退。
[0019]在图5和图6中，在滑轴4上移动第一齿轮3，使其与第二齿轮6咬合，松开松紧螺丝15，转动手轮I，第一齿轮3带动第二齿轮6转动，第二齿轮6带动转套8转动，转套8带动螺母套9转动，由于丝杆10与螺母套9内侧的静摩擦力矩大于丝杆10受到丝杆轴座14作用的动摩擦力矩，此时丝杆10会随着螺母套9发生转动，即丝杆10与螺母套9不发生相对转动，故螺母套9、接杆11和刀盘12不发生轴向移动，实现了刀盘12的旋转。
[0020]在图7和图8中，在滑轴4上移动第一齿轮3，使其与第二齿轮6咬合，拧紧松紧螺丝15，转动手轮I，第一齿轮3带动第二齿轮6转动，第二齿轮6带动转套8转动，转套8带动螺母套9转动，由于丝杆10转动自由度被松紧螺丝15锁死，丝杆10与螺母套9发生相对转动，螺母套9、接杆11和刀盘I此时既发生转动又发生轴向移动，实现了刀盘12的旋进或旋退。
[0021]如图9所示，所述刀盘12由Q235刚制成，直径为300mm，分别在半径为65mm和125mm圆的象限点位置处开挖直径为30mm的小孔，用于放置土压力传感器17 (直径30mm，厚度15mm)，并在刀盘12前表面相应位置布置截齿18(高10mm)。直接转动摇把16，带动丝杆10旋转，而转套8与螺母套9的相对转动由键锁死，二者只能发生轴向相对滑动，并且螺母座7作用在转套8外侧的静摩擦力矩大于丝杆10作用在螺母套9内侧的滑动摩擦力矩，因此套在丝杆10外侧的螺母套9以及转套8相对于螺母座7静止，而丝杆10与螺母套9产生相对转动，由于丝杆10外侧螺纹与螺母套9内侧螺纹咬合，因此丝杆10与螺母套9产生轴向相对位移，由于丝杆10轴向位移锁死，螺母套9带动接杆11以及刀盘12快速进退。由于丝杆10螺纹间距为3mm，因此摇把16每转一圈刀盘12前进或后退3mm，并且位移精度可达0.05mm级。如果将第一齿轮3卡在第二齿轮6上，转动手轮1，由于手轮I连接1/10减速器2，减速器2输出的转速(第一齿轮3和第二齿轮5的转速)为手轮I转速的1/10，故丝杆10转速也为手轮I转速的1/10,手轮I每转一圈，刀盘12前进或后退0.3mm,精度同样可达0.05mm，实现了刀盘的慢进慢退。如果将第一齿轮3卡在第三齿轮13上，转动手轮1，滑轴4转动带动第一齿轮3和第三齿轮13转动，由于第三齿轮13和转套8相互嵌套，此时转套8也随之转动，如前所述，转套8也会带动螺母套9转动，由于轴承作用在丝杆10上的滑动摩擦力矩小于螺母套9作用在丝杆10上的静摩擦力矩，故丝杆10也随着螺母套9转动，第三齿轮13、转套8、螺母套9、接杆11、刀盘12和丝杆10整体相对静止，刀盘12实现原位旋转。如果将第一齿轮3卡在第三齿轮13上，并且旋紧调节松紧螺丝15，此时第三齿轮13、转套8和螺母套9相对静止，但是整体与丝杆10相对转动，螺母套9与丝杆10产生相对转动和轴向相对移动，此时刀盘12发生旋进或旋退。
【权利要求】
1.盾构掌子面开挖稳定性精细模拟试验装置，由手轮(1)、减速器(2)、第一齿轮(3)、滑轴⑷、滑轴座(5)、第二齿轮(6)、螺母座(7)、转套(8)、螺母套(9)、丝杆(10)、接杆(11)、刀盘(12)、第三齿轮(13)、丝杆轴座(14)、松紧螺丝(15)、摇把(16)、土压力传感器(17)和截齿(18)组成，其特征在于: 刀盘(12)前表面开挖有小孔，用于放置土压力传感器(17)，并在刀盘(12)前表面均匀布置有截齿(18);接杆(11)为中部空心结构，其一端固定于刀盘(12)上，另一端连接螺母套(9)，丝杆(10)插入螺母套(9)和接杆(11)内部组成的空心部位，丝杆(10)的外螺纹与螺母套(9)的内螺纹咬合，使丝杆(10)能在所述空心部位来回移动；丝杆(10)上设有第三齿轮(13)，且第三齿轮(13)位于螺母套(9)外，丝杆(10)另一侧通过松紧螺丝(15)固定在丝杆轴座(14)上，丝杆(10)端部连接摇把(16);螺母套(9)外壁上套有转套(8)，所述转套(8)上套有第二齿轮(6)和螺母座(7);所述手轮(1)连接减速器(2)，另一端连接滑轴(4)，滑轴(4)上套有第一齿轮(3)，第一齿轮(3)能在滑轴(4)上来回移动，滑轴(4)另一端固定在滑轴座(5)上；使用时，第二齿轮(6)和第三齿轮(13)分别能与第一齿轮(3)相咬合； 转动摇把(16)，带动丝杆(10)转动，转套(8)与螺母套(9)的相对转动由键锁死，二者只能发生轴向相对滑动，丝杆(10)与螺母套(9)产生相对转动，由于丝杆(10)轴向位移锁死，螺母套(9)带动接杆(11)以及刀盘(12)完成快速进退；当第一齿轮(3)卡在第二齿轮(6)上，转动手轮(1)，减速器(2)减速，使丝杆(10)转速降低，丝杆(10)与螺母套(9)相对转动速度较慢，螺母套(9)通过接杆(11)带动刀盘(12)，实现刀盘(12)的慢进慢退；当第一齿轮(3)卡在第三齿轮(13)上，转动手轮(1)，滑轴(4)转动带动第一齿轮(3)和第三齿轮(13)转动，转套(8)带动螺母套(9)转动，由于轴承作用在丝杆(10)上的滑动摩擦力矩小于螺母套(9)作用在丝杆(10)上的静摩擦力矩，故丝杆(10)也随着螺母套(9)转动；当拧紧丝杆(10)上的松紧螺丝(15)，转动手轮(1)，转套(8)带动螺母套(9)转动，由于丝杆(10)转动自由度被约束，螺母套(9)转动的同时也与丝杆发生相对转动，螺母套(9)通过接杆带动刀盘(12)旋进或旋退。
【文档编号】G01M99/00GK103868749SQ201410097882
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月18日 优先权日:2014年3月18日
【发明者】薛亚东, 杨文亮, 葛嘉诚 申请人:同济大学