CN102901685A - 模拟盾构施工工况的刀具摩擦磨损试验机、试验刀具及其试验方法 - Google Patents
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一种模拟盾构施工工况的刀具摩擦磨损试验机、试验刀具及其试验方法，包括液压顶推油缸和由旋转电机带动的旋转轴，所述液压顶推油缸上安装有泥浆盒，所述泥浆盒的顶部开口，所述旋转轴下方安装有上试样夹具，所述上试样夹具从所述泥浆盒的顶部开口置于所述泥浆盒内部，所述泥浆盒的底部安装有与所述上试样夹具位置相对应的下试样夹具，所述上试样夹具上与所述下试样夹具相对的面上设有多个试验刀具安装孔，所述试验刀具安装孔在所述上试样夹具上均匀分布,本发明结构简单、方便计量磨损的失重和后续磨损表面形貌的分析、方便对滚刀刀圈磨损失效行为和机理进行研究、试验成本低。
Description
技术领域：
本发明涉及摩擦磨损测试技术领域，特别是一种模拟盾构施工工况的刀具摩擦磨损试验机、试验刀具及其试验方法。
背景技术：
盾构施工广泛应用于城市地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程，它具有对周围环境影响小、自动化程度高、效率高和安全环保等优点。根据地质条件不同，采用不同类型的盾构机进行隧道挖掘，在纯硬岩地层中主要采用全断面硬岩掘进机，在软岩、土质地层和岩石与土的混合地层中主要采用土压平衡盾构、泥水盾构和混合式盾构。
刀具是盾构机的“牙齿”，通过刀具不断地对开挖面岩石或土体进行挤压、碾磨、切削，从而使得盾构机不断前进进行隧道挖掘。盾构刀具主要包括用于破岩的滚刀和用于切削土体的切刀、刮刀、周边刮刀、中心刀和先行刀等两大类刀具。在全断面硬岩掘进机的刀盘上主要布置用于破岩的滚刀，滚刀在掘进过程中与开挖面岩层产生“硬对硬”的滚－滑磨损。在土压平衡盾构、泥水盾构和混合式盾构的刀盘上主要布置软土切削刀具，同时布置一定数量用于破岩和破碎大块漂石的滚刀，刀具在软岩、土层和混合地层中的磨损与硬岩掘进过程中刀具的磨损有极大的差别，在土压平衡和泥水平衡盾构施工中刀具浸泡在各种各样的泥浆中，刀具与开挖面作用时，两者之间填充了各种各样的土、砂、岩石碎块等颗粒。
国内外报道了不少用于研究滚刀在硬岩掘进过程中的磨损和破岩机理的装置和方法，例如：《岩石切割刀具切削试验装置》（中国专利200920245585.8）、《岩石切割刀具切削试验方法》（中国专利200910219276.8）、《双滚刀实验台刀具系统》（中国专利201010133136.1）、《刀具破岩机理与耐磨试验机》（中国专利200810011968.9）和《Disc cutting tests in Colorado Red Granite:Implications for TBM performance prediction》（International Journal ofRock Mechanics and Mining Sciences，2007年44卷第2期）等专利和文献。这些装置和方法的优点是：能够较好的模拟滚刀在纯硬岩掘进过程中破岩过程，可以研究相位角、内偏角和刀间距等因素对滚刀破岩的影响，有利于深入了解滚刀破岩的机理。它们的不足之处有：以上试验装置偏重于盾构刀具的破岩机理，而不利于研究盾构刀具的磨损失效行为，且以上装置初衷都是用于滚刀破岩机理研究，而不利于其它刀具切削软岩和土层的研究；不能够模拟盾构刀具在土压平衡和泥水平衡工作模式下的工况，不能够研究此时刀具的磨损失效行为；以上试验装置都采用商业成品滚刀，它们的尺寸大、结构复杂，不利于磨损失重的计量和后续磨损表面形貌的分析，不利于滚刀刀圈磨损失效行为和机理的研究；试验要求的岩石试样巨大，难以获取，成本高，同时商业成品滚刀的成本高，导致整个试验装置巨大、复杂,试验成本昂贵。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种结构简单、方便计量磨损的失重和后续磨损表面形貌的分析、方便对滚刀刀圈磨损失效行为和机理进行研究、试验成本低的模拟盾构施工工况的刀具摩擦磨损试验机、试验刀具及其试验方法。
为实现上述目的，采用的技术方案为：
一种模拟盾构施工工况的刀具摩擦磨损试验机，包括液压顶推油缸、由旋转电机带动的旋转轴、测量液压油缸压力的液压传感器和测量摩擦力的轮辐式传感器，所述液压顶推油缸上安装有泥浆盒，所述泥浆盒的顶部开口，所述旋转轴下方安装有上试样夹具，所述上试样夹具从所述泥浆盒的顶部开口置于所述泥浆盒内部，所述泥浆盒的底部安装有与所述上试样夹具位置相对应的下试样夹具，所述上试样夹具上在与所述下试样夹具相对的面上设有多个试验刀具安装孔，所述试验刀具安装孔在所述上试样夹具上均匀分布。
所述泥浆盒的顶部开口上设有封闭所述泥浆盒开口的盖板。
所述上试样夹具上还设有固定安装在所述试验刀具安装孔内试验刀具的固定装置。
所述液压顶推油缸为最大可提供12kN推力的液压顶推油缸。
所述上试样夹具上设有三个试验刀具安装孔。
一种用于模拟盾构施工工况刀具摩擦磨损试验的试验刀具，所述试验刀具为长3mm～10mm×宽3mm～10mm×高10mm～20mm的长方体或直径Φ3mm～10mm×高10mm～20mm的圆柱体，所述试验刀具的底部固定在所述上试样夹具的试验刀具安装孔内。
一种模拟盾构施工工况的刀具摩擦磨损试验方法，包括如下步骤：
a、安装：将试验刀具插入所述上试样夹具的所述试验刀具安装孔中，并用固定装置将试验刀具固定在所述试验刀具安装孔中，将下试样放入所述下试样夹具中；
b、开启顶推液压油缸提升所述下试样夹具，使得下试样和试验刀具接触；
c、向泥浆盒中添加泥浆，盖上所述盖板，继续升高下试样的位置，使试验刀具和下试样接触并达到实际盾构施工地层中主要岩石的抗压强度的压力，此时启动旋转电机带动旋转轴转动；
添加泥浆的目的是为了模拟盾构刀具在土压平衡和泥水平衡工况条件下的摩擦磨损行为，泥浆由水、泥土、沙粒组成，它们之间的比例根据需要模拟的盾构施工的实际地层条件而变化。
试验刀具和下试样之间的压力根据需要模拟的盾构施工的实际地层中主要岩石的抗压强度而变化。
d、通过所述液压油缸液压传感器和轮辐式传感器将压力和摩擦力数据实时传输到电脑处理系统。
所述顶推液压油缸和旋转电机均由电脑上摩擦磨损试验系统软件进行控制，所述摩擦磨损试验系统软件可实时监测和记录摩擦磨损试样过程中试验刀具和下试样之间的压力与两者之间的摩擦力。
由于采用上述结构，本发明具有如下优点：
1、本试验机还增加了一个泥浆盒，从而能够模拟盾构刀具在土压平衡和泥水平衡工作模式下的工况，研究复杂工况条件下刀具的磨损失效行为；
2、本试验机的推力装置采用液压顶推油缸，能够提供最大12kN的推力，从而达到模拟实际工况条件下刀具所受巨大压力和摩擦力下的磨损行为。
3、本装置的试验刀具为特制刀具，结构简单，方便计量磨损的失重和后续磨损表面形貌的分析，方便对滚刀刀圈磨损失效行为和机理进行研究；而且成本低，可降低试验成本；
4、由于试验刀具减小，使得本装置的试样尺寸小，形状简单，从而有利于从材料科学的角度研究刀具的磨损行为和机理。
附图说明：
图1是本装置的结构示意图；
图2上试件夹具的仰视图；
具体实施方式：
下面结合附图，进一步详细说明本专利的具体实施方式。
试验刀具5可以是长方体试样或者圆柱体试样，长方体试样尺寸可在3mm×3mm×10mm和10mm×10mm×20mm之间，圆柱体试样可在Φ3mm×10mm和Φ10mm×20mm之间；
上试样夹具6上分布有三个定位孔9，构成等边三角形，定位孔9侧面同时布置了螺钉用来固定试验刀具，定位孔9可以是方孔或者圆孔；旋转轴8上设置有一个安装盘，上试样夹具6是安装在这个安装盘上，所述的测量液压顶推油缸顶推压力的液压传感器的探测头和测量摩擦力的轮辐式传感器的探测头设置在安装盘和上试样夹具6之间；
下试样4可以是各种岩石、混泥土块或者金属，可以是长方体或者圆柱体，高度在20～50毫米之间，长方体下试样的长或者宽可以在60～150毫米之间，圆柱体下试样的直径可以在60～150毫米之间；
实施例1：模拟全断面硬岩掘进机施工时刀具磨损工况，研究滚刀刀圈的磨损失效行为。
参照附图，模拟盾构施工工况的刀具摩擦磨损试验装置，包括液压顶推油缸1、泥浆盒2、下试样夹具3、下试样4、试验刀具5、上试样夹具6、泥浆盒盖板7、旋转轴8。
试验刀具5为盾构滚刀刀圈，经线切割加工成3mm×5mm×15mm的长方体，打磨一个3mm×5mm端面用于与岩石下试样对磨。相应的上试样夹具的定位孔大小为3mm×5mm。下试样为花岗岩，大小为80mm×80mm×30mm。
模拟盾构施工工况的刀具摩擦磨损试验机工作时，试验刀具5通过试验刀具定位孔9以及侧向螺钉固定在上试样夹具6上，下试样4固定在下试样夹具3上并置于泥浆盒3内，模拟全断面硬岩掘进机工况时，泥浆盒3不添加泥浆，将泥浆盒3固定在下试样基座上，升高液压顶推油缸1，直至试验刀具5与下试样4接触并达到5000N的压力值，启动旋转电机使旋转轴8以100r/min的速度旋转进行磨损试验。
实施例2：模拟混合式盾构机施工时刀具磨损工况，研究滚刀刀圈的磨损失效行为。
试验刀具5为盾构滚刀刀圈，经线切割加工成3mm×5mm×15mm的长方体，打磨一个3mm×5mm端面用于与岩石下试样对磨。相应的上试样夹具的定位孔大小为3mm×5mm。下试样为砂岩，大小为80mm×80mm×30mm。泥浆组成包括：15%的水，50%的细砂（直径小于3mm）和20%泥土。
模拟盾构施工工况的刀具摩擦磨损试验机工作时，试验刀具5通过试验刀具定位孔9以及侧向螺钉固定在上试样夹具6上，下试样4固定在下试样夹具3上并置于泥浆盒3内，向泥浆盒3添加上述泥浆，将泥浆盒3固定在下试样基座上，盖上泥浆盒盖板7，升高液压顶推油缸1，直至试验刀具5与下试样4接触并达到7500N的压力值，启动电机使旋转轴8以100r/min的速度旋转进行磨损试验。
实施例3：模拟混合式盾构机施工时刀具磨损工况，研究切削刀具的磨损失效行为。
试验刀具为用在切刀上的硬质合金齿条，经线切割加工成3mm×5mm×15mm的长方体，打磨一个3mm×5mm端面用于与岩石下试样对磨。相应的上试样夹具的定位孔大小为3mm×5mm。下试样为砂岩，大小为80mm×80mm×30mm。泥浆组成包括：15%的水，50%的细砂（直径小于3mm）和20%泥土。
模拟盾构施工工况的刀具摩擦磨损试验机工作时，试验刀具5通过试验刀具定位孔9以及侧向螺钉固定在上试样夹具6上，下试样4固定在下试样夹具3上并置于泥浆盒3内，向泥浆盒3添加上述泥浆，将泥浆盒3固定在下试样基座上，盖上泥浆盒盖板7，升高液压顶推油缸1，直至试验刀具5与下试样4接触并达到5000N的压力值，启动电机使旋转轴8以150r/min的速度旋转进行磨损试验。
Claims (8)
1.一种模拟盾构施工工况的刀具摩擦磨损试验机，包括液压顶推油缸、由旋转电机带动的旋转轴、测量液压顶推油缸顶推压力的液压传感器和测量摩擦力的轮辐式传感器，其特征在于：所述液压顶推油缸上安装有泥浆盒，所述泥浆盒的顶部开口，所述旋转轴下方安装有上试样夹具，所述上试样夹具从所述泥浆盒的顶部开口置于所述泥浆盒内部，所述泥浆盒的底部安装有与所述上试样夹具位置相对应的下试样夹具，所述上试样夹具上在与所述下试样夹具相对的面上设有多个试验刀具安装孔，所述试验刀具安装孔在所述上试样夹具上均匀分布。
2.根据权利要求1所述的模拟盾构施工工况的刀具摩擦磨损试验机，其特征在于：所述泥浆盒的顶部开口上设有封闭所述泥浆盒开口的盖板。
3.根据权利要求2所述的模拟盾构施工工况的刀具摩擦磨损试验机，其特征在于：所述上试样夹具上还设有固定安装在所述试验刀具安装孔内试验刀具的固定装置。
4.根据权利要求1所述的模拟盾构施工工况的刀具摩擦磨损试验机，其特征在于：所述液压顶推油缸为最大可提供12kN推力的液压顶推油缸。
5.根据权利要求2所述的模拟盾构施工工况的刀具摩擦磨损试验机，其特征在于：所述上试样夹具上设有三个试验刀具安装孔。
6.根据权利要求1至5所述的一种用于模拟盾构施工工况刀具摩擦磨损试验的试验刀具，其特征在于：所述试验刀具为长3mm～10mm×宽3mm～10mm×高10mm～20mm的长方体或直径Φ3mm～10mm×高10mm～20mm的圆柱体，所述试验刀具的底部固定在所述上试样夹具的试验刀具安装孔内。
7.根据权利要求6所述的试验机和试验刀具的模拟盾构施工工况的刀具摩擦磨损试验方法，其特征在于：
a、安装：将试验刀具插入所述上试样夹具的所述试验刀具安装孔中，并用固定装置将试验刀具固定在所述试验刀具安装孔中，将下试样放入所述下试样夹具中；
b、开启液压顶推油缸提升所述下试样夹具，使得下试样和试验刀具接触；
c、向泥浆盒中添加泥浆，盖上所述盖板，继续升高下试样的位置，使试验刀具和下试样接触并达到实际盾构施工地层中主要岩石的抗压强度的压力，此时启动旋转电机带动旋转轴转动；
d、通过所述液压传感器和轮辐式传感器将试验刀具和下试样之间的压力和摩擦力数据实时传输到电脑处理系统。
8.根据权利要求7的试验方法，其特征在于：所述顶推液压油缸和旋转电机均由电脑上摩擦磨损试验系统软件进行控制，所述摩擦磨损试验系统软件可实时监测和记录摩擦磨损试样过程中试验刀具和下试样之间的压力与两者之间的摩擦力。
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