[發明專利]一種掘削斷面形狀可控的試驗用數控隧道掘進機

有效

• 申請號: 201710274344.5
• 申請日: 2017-04-25
• 公開（公告）號: CN107422069B
• 公開（公告）日: 2019-08-02
• 發明（設計）人: 朱合華;徐前衛;程盼盼;丁文其;蔡永昌;李曉軍;武威;陳子揚;黃賢斌
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G01N33/00
• 分類號: G01N33/00
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 林君如

本發明涉及一種掘削斷面形狀可控的試驗用數控隧道掘進機，包括支承機座，設置在支承機座上并可在X?Y?Z方向自由移動的運動機構，安裝在運動機構上并隨其移動的掘進機構，運動機構包括分別帶動其負載物沿X向、Y向和Z向移動的X軸組件、Y軸組件和Z軸組件，其中，X軸組件設置在支承機座上，Y軸組件安裝在X軸組件上，Z軸組件安置在Y軸組件上，掘進機構包括ZD轉化單元、驅動組件、主軸以及刀具，ZD轉化單元設置在Z軸組件上，并可沿Z向移動，驅動組件安裝在ZD轉化單元上，主軸的一端連接驅動組件的輸出端，另一端上固定有刀具。與現有技術相比，本發明可進行三個方向的聯動，從而能夠開挖任意形狀的隧道，降低了隧道模型試驗的難度等。

技術領域

本發明涉及一種模型試驗中隧道開挖系統，尤其是涉及一種掘削斷面形狀可控的試驗用數控隧道掘進機。

背景技術

模型試驗在揭示地下隧洞圍巖中應力、位移分布規律及圍巖破壞形態、機制等方面發揮著重要的作用。而在開展模型試驗時，如何模擬隧洞開挖是一大難點。目前主要通過兩種方法來實現：其一是將待開挖土體用其它易移除材料或模具代替，模擬開挖時將替代物移除即可。如專利CN103616287A、CN104634932A公布的隧道開挖模型試驗裝置分別將待開挖部分用熔點低的松香和易溶解的聚苯乙烯泡沫材料澆筑而成，隧道的開挖分別通過加熱和供溶劑實現；專利CN104713987A公布的隧道開挖模擬系統采用外徑與隧道洞徑相同的圓柱形水囊，通過排水來模擬開挖過程；專利CN105572308A公布的模擬隧道開挖的試驗裝置，將擬開挖部分用片狀分層的PVC板代替，使開挖過程變為將模擬件一片一片的取出；而專利CN105971618A、CN20165029U公布的卸載開挖器是事先將鋼模具拼合于隧道洞壁，在模擬開挖時將鋼片內部支撐結構抽出，讓鋼片塌落，以此完成開挖卸荷過程。這種方法較常用但存在明顯的缺點：(1)填充物質或模具與圍巖的性質差異較大，在初始加載時會出現差異性承載，不能真實還原隧道開挖前的初始應力狀態；(2)填充物質的澆筑形狀或模具的加工精度不易控制，易造成開挖偏差；(3)較難實現分部分段開挖，大多只能粗略的模擬全斷面瞬時開挖，因而不能考慮圍巖受力變形的時空效應。

而另一種實現方法是與實際隧道施工過程相一致的“先填土后開挖”。顯然這種方法更符合實際，但在試驗時較難實現，主要存在以下問題：(1)開挖精度不高，開挖后的隧道輪廓參差不齊，帶有隨機性，若進行平行試驗，難以保證相同的開挖條件；(2)通常用于形狀簡單的隧道的開挖，而對輪廓形狀復雜的隧道難以完成開挖；(3)費時費力。由此看來，要使模型試驗真實還原實際施工過程，即實現“先填土后開挖”的隧道開挖方式，還有很多問題亟待解決。本發明正是基于此種需求而提出的。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種掘削斷面形狀可控的試驗用數控隧道掘進機。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種掘削斷面形狀可控的試驗用數控隧道掘進機，包括支承機座，設置在支承機座上并可在X-Y-Z方向自由移動的運動機構，安裝在運動機構上并隨其移動的掘進機構，

所述的運動機構包括分別帶動其負載物沿X向、Y向和Z向移動的X軸組件、Y軸組件和Z軸組件，其中，所述的X軸組件設置在支承機座上，所述的Y軸組件安裝在X軸組件上，所述的Z軸組件安置在Y軸組件上，

所述的掘進機構包括ZD轉化單元、驅動組件、主軸以及刀具，所述的ZD轉化單元設置在Z軸組件上，并可沿Z向移動，所述的驅動組件安裝在ZD轉化單元上，所述的主軸的一端連接驅動組件的輸出端，另一端上固定有所述刀具。

作為優選的實施方案，所述的驅動組件包括安裝在Z軸組件上并隨其移動的箱體固定板，設置在箱體固定板上的步進電機、傳動軸、驅動齒輪和從動齒輪，其中，所述的步進電機通過聯軸器連接所述傳動軸，所述的驅動齒輪和從動齒輪嚙合，并分別通過鍵連接所述傳動軸和主軸。