[发明专利]一种掘削断面形状可控的试验用数控隧道掘进机

说明书

本发明涉及一种掘削断面形状可控的试验用数控隧道掘进机，包括支承机座，设置在支承机座上并可在X‑Y‑Z方向自由移动的运动机构，安装在运动机构上并随其移动的掘进机构，运动机构包括分别带动其负载物沿X向、Y向和Z向移动的X轴组件、Y轴组件和Z轴组件，其中，X轴组件设置在支承机座上，Y轴组件安装在X轴组件上，Z轴组件安置在Y轴组件上，掘进机构包括ZD转化单元、驱动组件、主轴以及刀具，ZD转化单元设置在Z轴组件上，并可沿Z向移动，驱动组件安装在ZD转化单元上，主轴的一端连接驱动组件的输出端，另一端上固定有刀具。与现有技术相比，本发明可进行三个方向的联动，从而能够开挖任意形状的隧道，降低了隧道模型试验的难度等。

技术领域

本发明涉及一种模型试验中隧道开挖系统，尤其是涉及一种掘削断面形状可控的试验用数控隧道掘进机。

背景技术

模型试验在揭示地下隧洞围岩中应力、位移分布规律及围岩破坏形态、机制等方面发挥着重要的作用。而在开展模型试验时，如何模拟隧洞开挖是一大难点。目前主要通过两种方法来实现：其一是将待开挖土体用其它易移除材料或模具代替，模拟开挖时将替代物移除即可。如专利CN103616287A、CN104634932A公布的隧道开挖模型试验装置分别将待开挖部分用熔点低的松香和易溶解的聚苯乙烯泡沫材料浇筑而成，隧道的开挖分别通过加热和供溶剂实现；专利CN104713987A公布的隧道开挖模拟系统采用外径与隧道洞径相同的圆柱形水囊，通过排水来模拟开挖过程；专利CN105572308A公布的模拟隧道开挖的试验装置，将拟开挖部分用片状分层的PVC板代替，使开挖过程变为将模拟件一片一片的取出；而专利CN105971618A、CN20165029U公布的卸载开挖器是事先将钢模具拼合于隧道洞壁，在模拟开挖时将钢片内部支撑结构抽出，让钢片塌落，以此完成开挖卸荷过程。这种方法较常用但存在明显的缺点：(1)填充物质或模具与围岩的性质差异较大，在初始加载时会出现差异性承载，不能真实还原隧道开挖前的初始应力状态；(2)填充物质的浇筑形状或模具的加工精度不易控制，易造成开挖偏差；(3)较难实现分部分段开挖，大多只能粗略的模拟全断面瞬时开挖，因而不能考虑围岩受力变形的时空效应。

而另一种实现方法是与实际隧道施工过程相一致的“先填土后开挖”。显然这种方法更符合实际，但在试验时较难实现，主要存在以下问题：(1)开挖精度不高，开挖后的隧道轮廓参差不齐，带有随机性，若进行平行试验，难以保证相同的开挖条件；(2)通常用于形状简单的隧道的开挖，而对轮廓形状复杂的隧道难以完成开挖；(3)费时费力。由此看来，要使模型试验真实还原实际施工过程，即实现“先填土后开挖”的隧道开挖方式，还有很多问题亟待解决。本发明正是基于此种需求而提出的。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种掘削断面形状可控的试验用数控隧道掘进机。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种掘削断面形状可控的试验用数控隧道掘进机，包括支承机座，设置在支承机座上并可在X-Y-Z方向自由移动的运动机构，安装在运动机构上并随其移动的掘进机构，

所述的运动机构包括分别带动其负载物沿X向、Y向和Z向移动的X轴组件、Y轴组件和Z轴组件，其中，所述的X轴组件设置在支承机座上，所述的Y轴组件安装在X轴组件上，所述的Z轴组件安置在Y轴组件上，

所述的掘进机构包括ZD转化单元、驱动组件、主轴以及刀具，所述的ZD转化单元设置在Z轴组件上，并可沿Z向移动，所述的驱动组件安装在ZD转化单元上，所述的主轴的一端连接驱动组件的输出端，另一端上固定有所述刀具。

作为优选的实施方案，所述的驱动组件包括安装在Z轴组件上并随其移动的箱体固定板，设置在箱体固定板上的步进电机、传动轴、驱动齿轮和从动齿轮，其中，所述的步进电机通过联轴器连接所述传动轴，所述的驱动齿轮和从动齿轮啮合，并分别通过键连接所述传动轴和主轴。