[发明专利]全断面岩石掘进机刀盘驱动试验台的加载方法

说明书

技术领域

本发明属于全断面岩石掘进机技术领域，涉及一种全断面岩石掘进机刀盘驱动试验台的加载方法。

背景技术

全断面岩石掘进机(TBM)是集掘进、衬砌、排渣于一体的工厂化隧道作业系统，广泛应用于轨道交通、引水等隧道工程建设中。刀盘系统是TBM的核心部件，肩负着掘进开挖的功能，主要包括刀盘和驱动系统，驱动系统通过齿轮啮合带动刀盘回转，为刀盘提供足够的转矩切削岩石。由于TBM工作环境恶劣，刀盘负载复杂多变，掘进过程中常出现传动系统齿轮断齿、安全轴断轴等事故。

目前，针对TBM刀盘系统关键部件失效的问题，国内外学者从理论分析和试验验证的角度对TBM刀盘系统动力学特性展开了广泛研究，设计并搭建了不同试验用途的TBM刀盘试验台。其中，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TBM刀盘滚刀破岩试验台，中国专利号：CN 201110170010.8，专利名称“用于隧道掘进机刀具破岩机理模态研究的试验平台”，该试验装置采用岩/土箱的方案模拟刀盘动态载荷并研究刀盘破岩机理，加载方式复杂且难以进行精确控制，刀盘载荷施加的大小/频率受到自身系统的限制，并且未涉及加载系统的设计方法。

发明内容

本发明主要解决的难题，是针对现有的全断面岩石掘进机试验台动载施加困难，载荷施加大小/频率范围过小的问题，发明一种全断面岩石掘进机刀盘驱动试验台的加载方法。该加载方法采用液压作动器提供刀盘负载，借助加载环、加载滚子接触的方式扩大动载作用频率，通过调节架调整加载系统不同作用位置与负载扭矩大小。该方法可根据不同试验要求对加载系统关键参数进行设计，通过调整加载滚子和加载环的主要参数满足刀盘负载扭矩大小和频率要求，进而模拟TBM刀盘在不同工况下的载荷，为刀盘驱动试验台动态测试提供外部激励。使刀盘负载转矩更加符合实际工况，进而有效开展TBM刀盘系统的动态特性试验。

本发明采用的技术方案是一种全断面岩石掘进机刀盘驱动试验台的加载方法，其特征是，加载方法采用液压作动器提供刀盘负载，借助加载环、加载滚子接触的方式扩大动载作用频率，通过调节架调整加载系统不同作用位置与负载扭矩大小；该方法根据试验要求确定试验台的结构特征、几何参数，实现加载系统的零部件选型和相关参数设计；方法具体步骤如下：

第一步搭建加载系统I

加载系统I由安装在底座III上左右对称的两套结构完全相同的组件构成，每套组件包括液压作动器10、加载滚子11、加载环12和调节架13；加载滚子11与安装在刀盘20端面的加载环12接触，液压作动器10的执行端10a与加载滚子11铰接，液压作动器尾端10b安装在底座III上；调节架13由相互垂直的第一螺纹调节杆13a和第二螺纹调节杆13b构成，调节架13与液压作动器10固连，通过调整调节架13的长度调整加载系统动载作用位置，实现刀盘不同位置加载，模拟刀盘负载转矩；

所述加载滚子11包括圆锥滚子11a、调心滚子轴承11b和阶梯轴11c，圆锥滚子11a的内圈与调心滚子轴承11b过盈配合，通过阶梯轴11c与液压作动器执行端10a铰接；加载环12由多段相同且反向的圆弧拼接而成，沿周向展开为双圆弧曲线，同心安装在刀盘20的端面上；

第二步确定加载滚子11的参数，加载滚子11的参数包括：调心滚子轴承11b外径r_p，调心滚子轴承宽度B_p，圆锥滚子11a内径r_e、底径r_m、顶径r_n和圆锥长度B；

先根据液压作动器10输出载荷和几何结构参数对调心滚子轴承进行选型，由配合关系可知，调心滚子轴承外径r_p即为圆锥滚子内径r_e；再根据装配条件和几何结构参数确定圆锥滚子底径r_m，圆锥滚子顶径r_n和圆锥长度B设计范围：

其中，[B]、[r]为液压作动器执行端允许圆锥滚子安装的最大宽度和半径；

根据满足条件公式(1)的圆锥滚子参数，加载滚子与加载环接触长度l：

其中，接触长度l即为加载环宽度；

第三步确定加载环12的参数，加载环12的参数包括：圆弧线幅值a，圆弧线数目b和圆弧线半径r_l；

根据刀盘载荷频率和刀盘转速，确定圆弧线数目b：

其中，f：载荷频率；n：刀盘转速；f₁：液压作动器输出频率；