[发明专利]一种多功能微型隧道掘进模型试验系统

说明书

本发明涉及一种多功能微型隧道掘进模型试验系统，包括试验平台、泥浆循环系统、微型隧道掘进机和动力控制系统。试验平台上端固定有微型隧道掘进机行进导轨、控制系统工作箱、推进动力驱动马达；泥浆循环系统可实现泵送泥浆或润滑剂、排出废浆和检测泥浆压力等功能；微型隧道掘进机由连接部分、管片部分和机头部分组成，可通过增设管片部分调节掘进长度，机头部分前端设有刀盘用以开挖岩土体，机头部分后端半径略小于前端、用以模拟地层损失；动力控制系统用以控制微型隧道掘进机掘进方向和速率、刀盘转动方向和速率。本发明各部分功能相对独立，可扩展性强，通过增减相关部件即可模拟不同隧道掘进机的工作状态，满足隧道开挖模拟的科研需要。

技术领域

本发明涉及一种隧道掘进模型试验系统，特别涉及一种多功能微型隧道掘进模型试验系统。

背景技术

目前，隧道掘进机已经在各类隧道开挖中广泛使用。近年来，城市地铁隧道、市政给排水隧道、山岭铁（公）路隧道的建设对隧道掘进机的需求越来越大，随之而来是更多的问题有待解决。特别是面对一些难度较大的工程，理论分析和数值分析都无法考虑实际的复杂情况，此时必须借助室内试验的手段，对实际工程进行模拟。目前，比较常用的隧道掘进试验主要分为两种形式：利用对称性原理的半圆形隧道模型以及圆形隧道模型。半圆形隧道模型不具备开挖刀具，一般采用挡板的前进或后退来模拟隧道开挖对开挖面的作用；圆形隧道模型大多也不具备开挖刀具，通常采用气囊或挡板模拟开挖。上述开挖方式的问题在于只能模拟开挖面压力的变化，不能模拟掘进机开挖的全过程以及刀盘旋转对开挖面的作用。少部分圆形隧道模型设计有刀盘，可进行机械开挖，但刀盘制作通常较为简化且不可替换，掘进机模型所能实现的功能比较单一，可扩展性低。为了提高试验效率及控制时间、经济成本，急需一种既能够模拟真实隧道开挖，又能够实现功能多样化的多功能微型隧道掘进模型试验系统，以满足日益复杂的隧道掘进模拟科研需求。

发明内容

本发明的目的是改善现有隧道掘进模型试验机的不足，提供一种可模拟实际隧道掘进机开挖且功能可扩展的多功能微型隧道掘进模型试验系统，使其能够满足隧道掘进模拟的科研需求，且降低试验的时间及经济成本。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种多功能微型隧道掘进模型试验系统，包括实验平台、微型隧道掘进机、泥浆循环系统和动力控制系统；其中：

所述实验平台由铝合金方管型材梁柱装配而成，铝合金方管型材梁柱通过螺栓和连接件组成框架结构；所述实验平台下部四角带有调平螺栓和锚固定件；所述实验平台上表面固定有预打孔的平台钢板；所述实验平台侧面固定有动力控制系统上的工作箱；所述平台钢板上固定有动力控制系统上的推进动力系统和附属拍照设备；

所述动力控制系统包括推进动力控制系统、转动动力控制系统和控制箱，所述推进动力控制系统用以调节所述的微型隧道掘进机的前进速率和方向；所述转动动力控制系统用以调节所述的刀盘的旋转速率和方向；所述控制箱通过调节所述的微型隧道掘进机的推进状态以满足不同开挖需求。所述推进动力控制系统包括导轨、螺纹传动钢轴、驱动马达、马达齿轮、传动皮带、钢轴齿轮、支座板、箍爪、螺纹箍以及轴力应变片，马达齿轮固定于驱动马达上，钢轴齿轮固定于螺纹传动钢轴一端，马达齿轮与钢轴齿轮通过第一传动皮带连接，驱动马达通过第一传动皮带带动螺纹传动钢轴转动；螺纹箍抱箍在螺纹传动钢轴上，螺纹传动钢轴通过螺纹驱动螺纹箍作前后运动；螺纹箍及箍爪均固定于支座板上，当螺纹箍运动时，可带动支座板作前后运动，箍爪抱箍在导轨上，为支座板运动提供导向；螺纹传动钢轴与钢轴齿轮固定处预埋有轴力应变片，所述轴力应变片连接应变采集器，用以测量推进过程中螺纹传动钢轴的轴力；所述转动动力系统包括驱动马达、马达齿轮、第二传动皮带、刀盘齿轮、刀盘传动轴、固定螺栓以及刀盘；第二驱动马达通过固定螺栓固定于闭口封板或开口封板上，第二马达齿轮固定在第二驱动马达上，刀盘齿轮固定在传动轴一端上，第二驱动马达通过皮带连接传动轴，传动轴另一端上固定有刀盘，第二驱动马达通过皮带带动传动轴，进而带动固定在传动轴上的刀盘转动切削土体；