盾尾刷綜合實驗平臺的研制

李大偉，劉金祥，趙新合LI Da-wei, LIU Jing-xiang, ZHAO Xin-he（中鐵隧道集團公司專用設備中心，河南 洛陽 471009）

盾尾刷綜合實驗平臺的研制

李大偉，劉金祥，趙新合
LI Da-wei, LIU Jing-xiang, ZHAO Xin-he
（中鐵隧道集團公司專用設備中心，河南 洛陽 471009）

[摘 要]詳細介紹盾尾刷綜合實驗平臺的研制過程，該實驗平臺主要由耐磨測試平臺和彈性實驗平臺組成。耐磨測試平臺通過模擬盾構掘進工況，測試盾尾刷在不同狀態下的磨損情況；彈性實驗平臺是通過油缸的往返運動使盾尾刷反復受到壓縮，來測試盾尾刷的彈性能力，通過兩種設備來測試尾刷的質量。

[關鍵詞]盾構；盾尾刷；實驗平臺

國內生產盾尾刷的廠家眾多，但是盾尾刷檢驗檢測尚無標準，行業也沒有對盾尾刷性能進行性能測試和檢測的設備。施工企業在選購盾尾刷之時大多是憑直覺，很難避免選用了劣質的盾尾刷產品，施工開展起來毫無安全感可言。為此開發測試盾尾刷性能的實驗平臺迫在眉睫，擬通過研發盾尾刷實驗平臺，填補國內空白，制定出盾尾刷檢測檢驗標準。

1 盾尾刷工況分析

盾尾刷承擔著盾尾和管片之間的密封作用，通過注入油脂阻止泥漿和水進入盾體。盾構在掘進過程中盾尾刷與管片之間相對運動產生摩擦，不斷的摩擦會導致尾刷鋼絲的磨損從而導致損壞，盾構在掘進過程中由于姿態的不斷變化使不同位置的盾尾刷產生不同的彈性變形，尾刷反復的折彎對彈性性能是一個較大的考驗，最終會導致尾刷折斷失效。依據根據盾構施工過程中盾尾刷的失效形式可看出決定盾尾刷壽命的主要因素是它的耐磨性和彈性。

2 設計思路

依據盾尾刷失效形式的分析可知耐磨性和彈性是衡量盾尾刷性能的主要指標，在研制實驗平臺時耐磨性測試和彈性測試時研制的主要方向。

盾構掘進過程中盾尾刷是與管片之間做滑動摩擦運動，可以盾尾刷不動，用柱狀混凝土塊轉動，實現盾尾刷與混凝土之間的相互摩擦運動來模擬掘進過程中的工況；由于盾尾刷實際工況中與管片之間的壓緊量不同，可以將盾尾刷設計成可移動形式，通過位移量的不同來調節盾尾刷與混凝土塊之間的間隙，來模擬實際工況；盾構掘進的掘進速度一般為0～80mm/min，混凝土的回轉可采用液壓馬達（可提供低轉速）驅動，通過增加減速機構的方式來建立合適的減速比使混凝土的轉盤的線速度與實際工況吻合。

通過以上設計思路可實現不同工況下盾尾刷的測試：不同壓緊量的耐磨性能、不同的掘進速度的耐磨性能、混合工況下的耐磨性能。

盾構機在姿態變化及蛇形推進過程中，盾尾刷刷子與底板之間的角度在120°～180°之間往復變化，可以將盾尾刷固定在支座上，設計一油缸將油缸活塞桿端連接和尾刷大小相同的壓板，通過油缸的往復運動不斷的壓縮尾刷，是尾刷與的角度在120°～180°之間往復變化來模擬掘進過程中的實際工況。

3 試驗機的構成與各部件的關鍵技術

3.1 耐磨實驗平臺

盾尾刷耐磨實驗平臺（圖1）是由、耐磨實驗臺架、絲桿螺母機構、盾尾刷、混凝土塊、驅動馬達、回轉支撐、減速機、軸承、小齒輪等主要部件組成，耐磨實驗臺架起固定支撐作用是整個實驗平臺的基礎，絲桿螺母機構連接著盾尾刷，通過調節絲桿與螺母的相對運動來調節被測試盾尾刷與混凝土塊之間的間隙，模擬盾構實際掘進施工過程中盾尾刷與管片之間的間隙，最終通過尾刷與混凝土塊之間的相對運動來實現耐磨性的測試；緩凝土塊采用和管片一樣的C50混凝土制成，驅動馬達連接減速機的輸入端，為整個系統提供動力，減速機輸出端連接小齒輪，并通過帶動回轉支撐帶動混凝土塊的旋轉，最終將動力傳遞到混凝土塊的回轉運動上。過程中的減速機、回轉支撐與小齒輪起著調節混凝土塊合適線速度的作用。

圖1　 盾尾刷耐磨實驗平臺

3.2 彈性實驗平臺

盾尾刷彈性實驗平臺（圖2）是由、彈性實驗臺架、固定座、盾尾刷、壓板、液壓油缸、固定框架等主要部件組成，彈性實驗臺架起固定支撐作用是整個實驗平臺的基礎，固定座通過壓緊螺栓固定著盾尾刷，在液壓油缸的活塞桿端頭安裝壓板，通過油缸的往復運動驅動壓緊盾尾刷使盾尾刷能夠不斷的折復運動，來模擬盾構掘進過程中的工況，進而來測試盾尾刷的彈性性能。

圖2　 盾尾刷彈性實驗平臺

3.3 液壓驅動系統

為真實模擬盾構掘進過程中盾尾刷的工況，要求耐磨實驗平臺中混凝土塊的線速度較低（0～80mm/min），液壓馬達能夠提供較低的轉速所以整個系統考慮采用液壓驅動，由驅動電機帶動液壓泵為整個系統提供動力，主路上的溢流閥能夠限制整個系統的壓力防止系統過載，電磁比例閥能夠調節驅動馬達的通斷和轉速，電磁比例換向閥能夠實現油缸的往復運動和油缸的運行頻率。

彈性實驗平臺需要反復不斷的壓緊-松開盾尾刷，考慮到耐磨測試平臺的驅動為液壓驅動，彈性實驗的往復運動考慮用油缸來實現，這樣兩套系統可共用一個液壓泵，節省了費用。液壓油缸的行程為300mm，大于最大盾尾刷的壓縮量220mm，在液壓上配備行程傳感器通過設定不同值來調節壓緊量，系統上安裝比例換向閥，能夠實現油缸交替伸縮和調節油缸的速度。

4 測試效果

設備組裝完成后，經過測試發現設備能夠正常平穩運轉，彈性測試平臺能夠調節測試頻率范圍為1～5Hz，耐磨實驗平臺能夠平穩的調節混凝土塊的轉速，轉化為相應的線速度能夠在20～200mm/min之間連續平穩調節，盾尾刷與混凝土塊的間隙能夠順利調節，經過測試實驗平臺達到了設計要求，能夠完成規定的測試實驗。

5 結 論

通過研制液壓試驗平臺能夠填補業內空白，為盾尾刷檢驗檢測提供平臺，為盾尾刷測試檢驗和標準的建立邁出了堅實的第一步，然而平臺的建立只是為盾尾刷測試提供了機械設備。實際工況下盾尾刷的彎曲角度與頻率、不同地層中對盾尾刷的耐磨要求和彈性要求到底有多高、如何建立盾尾刷檢測和檢驗標準，需要在實際測試中不斷的探討與摸索。

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（編輯 張海霞）

［中圖分類號］TU621

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366（2015）02-0070-03

［收稿日期］2014-10-29

Development of tail sealing brushes comprehensive testing bench