盾尾刷综合实验平台的研制

李大伟，刘金祥，赵新合LI Da-wei, LIU Jing-xiang, ZHAO Xin-he（中铁隧道集团公司专用设备中心，河南 洛阳 471009）

盾尾刷综合实验平台的研制

李大伟，刘金祥，赵新合
LI Da-wei, LIU Jing-xiang, ZHAO Xin-he
（中铁隧道集团公司专用设备中心，河南 洛阳 471009）

[摘 要]详细介绍盾尾刷综合实验平台的研制过程，该实验平台主要由耐磨测试平台和弹性实验平台组成。耐磨测试平台通过模拟盾构掘进工况，测试盾尾刷在不同状态下的磨损情况；弹性实验平台是通过油缸的往返运动使盾尾刷反复受到压缩，来测试盾尾刷的弹性能力，通过两种设备来测试尾刷的质量。

[关键词]盾构；盾尾刷；实验平台

国内生产盾尾刷的厂家众多，但是盾尾刷检验检测尚无标准，行业也没有对盾尾刷性能进行性能测试和检测的设备。施工企业在选购盾尾刷之时大多是凭直觉，很难避免选用了劣质的盾尾刷产品，施工开展起来毫无安全感可言。为此开发测试盾尾刷性能的实验平台迫在眉睫，拟通过研发盾尾刷实验平台，填补国内空白，制定出盾尾刷检测检验标准。

1 盾尾刷工况分析

盾尾刷承担着盾尾和管片之间的密封作用，通过注入油脂阻止泥浆和水进入盾体。盾构在掘进过程中盾尾刷与管片之间相对运动产生摩擦，不断的摩擦会导致尾刷钢丝的磨损从而导致损坏，盾构在掘进过程中由于姿态的不断变化使不同位置的盾尾刷产生不同的弹性变形，尾刷反复的折弯对弹性性能是一个较大的考验，最终会导致尾刷折断失效。依据根据盾构施工过程中盾尾刷的失效形式可看出决定盾尾刷寿命的主要因素是它的耐磨性和弹性。

2 设计思路

依据盾尾刷失效形式的分析可知耐磨性和弹性是衡量盾尾刷性能的主要指标，在研制实验平台时耐磨性测试和弹性测试时研制的主要方向。

盾构掘进过程中盾尾刷是与管片之间做滑动摩擦运动，可以盾尾刷不动，用柱状混凝土块转动，实现盾尾刷与混凝土之间的相互摩擦运动来模拟掘进过程中的工况；由于盾尾刷实际工况中与管片之间的压紧量不同，可以将盾尾刷设计成可移动形式，通过位移量的不同来调节盾尾刷与混凝土块之间的间隙，来模拟实际工况；盾构掘进的掘进速度一般为0～80mm/min，混凝土的回转可采用液压马达（可提供低转速）驱动，通过增加减速机构的方式来建立合适的减速比使混凝土的转盘的线速度与实际工况吻合。

通过以上设计思路可实现不同工况下盾尾刷的测试：不同压紧量的耐磨性能、不同的掘进速度的耐磨性能、混合工况下的耐磨性能。

盾构机在姿态变化及蛇形推进过程中，盾尾刷刷子与底板之间的角度在120°～180°之间往复变化，可以将盾尾刷固定在支座上，设计一油缸将油缸活塞杆端连接和尾刷大小相同的压板，通过油缸的往复运动不断的压缩尾刷，是尾刷与的角度在120°～180°之间往复变化来模拟掘进过程中的实际工况。

3 试验机的构成与各部件的关键技术

3.1 耐磨实验平台

盾尾刷耐磨实验平台（图1）是由、耐磨实验台架、丝杆螺母机构、盾尾刷、混凝土块、驱动马达、回转支撑、减速机、轴承、小齿轮等主要部件组成，耐磨实验台架起固定支撑作用是整个实验平台的基础，丝杆螺母机构连接着盾尾刷，通过调节丝杆与螺母的相对运动来调节被测试盾尾刷与混凝土块之间的间隙，模拟盾构实际掘进施工过程中盾尾刷与管片之间的间隙，最终通过尾刷与混凝土块之间的相对运动来实现耐磨性的测试；缓凝土块采用和管片一样的C50混凝土制成，驱动马达连接减速机的输入端，为整个系统提供动力，减速机输出端连接小齿轮，并通过带动回转支撑带动混凝土块的旋转，最终将动力传递到混凝土块的回转运动上。过程中的减速机、回转支撑与小齿轮起着调节混凝土块合适线速度的作用。

图1　 盾尾刷耐磨实验平台

3.2 弹性实验平台

盾尾刷弹性实验平台（图2）是由、弹性实验台架、固定座、盾尾刷、压板、液压油缸、固定框架等主要部件组成，弹性实验台架起固定支撑作用是整个实验平台的基础，固定座通过压紧螺栓固定着盾尾刷，在液压油缸的活塞杆端头安装压板，通过油缸的往复运动驱动压紧盾尾刷使盾尾刷能够不断的折复运动，来模拟盾构掘进过程中的工况，进而来测试盾尾刷的弹性性能。

图2　 盾尾刷弹性实验平台

3.3 液压驱动系统

为真实模拟盾构掘进过程中盾尾刷的工况，要求耐磨实验平台中混凝土块的线速度较低（0～80mm/min），液压马达能够提供较低的转速所以整个系统考虑采用液压驱动，由驱动电机带动液压泵为整个系统提供动力，主路上的溢流阀能够限制整个系统的压力防止系统过载，电磁比例阀能够调节驱动马达的通断和转速，电磁比例换向阀能够实现油缸的往复运动和油缸的运行频率。

弹性实验平台需要反复不断的压紧-松开盾尾刷，考虑到耐磨测试平台的驱动为液压驱动，弹性实验的往复运动考虑用油缸来实现，这样两套系统可共用一个液压泵，节省了费用。液压油缸的行程为300mm，大于最大盾尾刷的压缩量220mm，在液压上配备行程传感器通过设定不同值来调节压紧量，系统上安装比例换向阀，能够实现油缸交替伸缩和调节油缸的速度。

4 测试效果

设备组装完成后，经过测试发现设备能够正常平稳运转，弹性测试平台能够调节测试频率范围为1～5Hz，耐磨实验平台能够平稳的调节混凝土块的转速，转化为相应的线速度能够在20～200mm/min之间连续平稳调节，盾尾刷与混凝土块的间隙能够顺利调节，经过测试实验平台达到了设计要求，能够完成规定的测试实验。

5 结 论

通过研制液压试验平台能够填补业内空白，为盾尾刷检验检测提供平台，为盾尾刷测试检验和标准的建立迈出了坚实的第一步，然而平台的建立只是为盾尾刷测试提供了机械设备。实际工况下盾尾刷的弯曲角度与频率、不同地层中对盾尾刷的耐磨要求和弹性要求到底有多高、如何建立盾尾刷检测和检验标准，需要在实际测试中不断的探讨与摸索。

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（编辑 张海霞）

［中图分类号］TU621

［文献标识码］B

［文章编号］1001-1366（2015）02-0070-03

［收稿日期］2014-10-29

Development of tail sealing brushes comprehensive testing bench