CN109596513A - 一种岩石研磨参数测定装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩石研磨参数测定装置及其方法。解决现有测试方式与实际岩石开挖过程中盾构刀盘接触岩石后的圆周运动方式不符的问题。本发明基于国际岩石力学与工程协会推荐的岩石研磨性评价指标来进行装置的设计，包括钢针、机架和设置在机架上的岩样加持器、钢针加持器、加载机构、岩样夹持器运动机构。根据实际工程中岩石开挖环境特征，实现了钢针在岩石表面圆周研磨功能；另外，利用变速电机代替人工来控制岩石运动速度，减少人工控制带来的差异性；该发明操作方便，实用性强，能够提供精确稳定的试验结果。

Description

一种岩石研磨参数测定装置及其方法

技术领域

本发明涉及岩石力学性质试验技术领域，特别是涉及一种岩石研磨参数测定装置及其方法。

背景技术

岩石的研磨参数是岩石重要的力学参数之一，也是地下工程中盾构设备选取刀盘类型及控制施工开挖速度的重要控制参数，因此岩石研磨参数的准确测定具有重要的工程现实意义。

目前，获得工程界普遍的认可的方法是国际岩石力学与工程学会推荐的CercharAbrasiveness Index(CAI)试验，该测试方法内容为：锥角为90°的钢针在70N的压力下，针尖作用于岩石的表面，以10mm/min的速度直线运动10mm，取下钢针，利用显微镜测量得到针尖的宽度，以单位为0.1mm，得到的数值即为CAI值。

虽然CAI试验在岩石工程中得到了广泛的应用，但其试验装置仍有不足之处：在试验中，钢针接触岩石后，采用手动水平直线运动方式移动钢针(见图1)的测试方式与实际岩石开挖过程中盾构刀盘接触岩石后的圆周运动方式不符。因此，当前的CAI试验装置测试所得的岩石研磨参数不能很好地反映实际岩体工程开挖岩石的研磨情况。

发明内容

本发明实施的主要目的在于提供一种新型岩石研磨参数的测试装置及其方法，以解决现有测试装置中岩石研磨参数测量中存在的问题，可以有效的模拟实际工程中盾构刀具的可控变速圆周运动，进而得到更为精确与稳定的岩石研磨性参数。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种岩石研磨参数测定装置包括钢针、机架和设置在机架上的岩样加持器、钢针加持器、加载机构、岩样夹持器运动机构；

所述的岩样加持器包括钳口体、凸形底座、第二固定螺母；钳口体通过凹槽固定在在凸形底座上，使得钳口体能够前后移动，但不能上下移动；第二固定螺母固定在钳口体中，是由一组相同的螺母组成；第二固定螺母的结构包括螺杆与螺帽，通过旋转第二固定螺母的螺帽，能够前后移动钳口体的位置，进而移动钳口体中的岩样的位置，待岩样位置合适，则通过螺母使得岩样与钳口体相接触并被加紧，使得岩样中心与钢针针尖水平偏离，实现钢针在岩样上圆周研磨的功能。

钢针加持器包括中空的中心轴、外套、钻杆和夹爪，中空的中心轴通过螺纹固定在钻杆上，中心轴底部设置外套和夹爪，钢针设置在中空的中心轴内并贯穿中心轴和钻杆，钢针由夹爪夹持，通过旋转外套控制夹爪的松紧；

所述的岩样夹持器运动机构用于带动岩样加持器运动；

所述的加载机构设置在钢针的顶部上方；用于在测定时向钢针施加压力。

本发明使岩样同钳口体相接触并实现加紧岩样的功能，另外通过第二固定螺母可以改变岩样的位置，使得岩样中心与钢针针尖水平偏离，实现钢针在岩样上圆周研磨的功能。

优选的，所述的机架包括底座、水平横梁、侧面面板；水平横梁位于底座上方，侧面钢板通过螺母连接水平横梁和底座。

优选的，所述加载机构包括面板、重物、第一固定螺母；面板固定在所述机架的水平横梁上，面板通过第一固定螺母固定重物，在试验时，通过调节第一固定螺母使重物加载在钢针上。

优选的，所述岩样夹持器运动机构包括可变速电机和传动轴；可变速电机通过螺母固定在底座上，传动轴与传动轴相连，可变速电机提供转矩，通过传动轴实现岩样夹持器的转动。

优选的，所述的钢针为国际岩石力学与工程协会标准D7625–10规定的钢针或其他各种材料的钢针；岩石研磨参数测量由试验后钢针针尖宽度来表征。

本发明还公开了一种所述装置的岩石研磨参数测定方法，步骤如下：

步骤1.将岩样放在凸形底座上，通过调节固定螺母来改变钳口体位置，使得岩样中心与钢针针尖水平偏离，确定岩样位置后，使岩样固定；

步骤2.将钢针插入钻杆中，调节位置使得钢针针尖刚好接触到岩样表面，转动外套控制夹爪夹紧钢针固定；

步骤3.使加载机构的重物接触到钢针顶部并将重力加载到钢针上；

步骤4.打开岩样夹持器运动机构的可变速电机，带动岩样加持器上岩样转动；

步骤5.实验结束后，关闭可变速电机，将加载机构的重物去下，旋转外套来打开夹爪，取出钢针，利用显微镜得到钢针针尖的宽度，得到以0.1mm为单位的数值；

步骤6.更换钢针，调节固定螺母改变钳口体的位置并加紧，并且调节可变速电机的转速，使得每组钢针在岩样上的研磨速度不变，研磨时间都相同，可变速电机的转速与研磨半径呈反比；重复上述的步骤1-5，得到若干个数值，取平均值即为岩样CAI值。

钳口体设置有不同规格大小，能够对不同规格大小的岩样进行试验。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：基于国际岩石力学与工程协会推荐的岩石研磨性评价指标来进行装置的设计，根据实际工程中岩石开挖环境特征，实现了钢针在岩石表面圆周研磨功能；另外，利用变速电机代替人工来控制岩石运动速度，减少人工控制带来的差异性；该发明操作方便，实用性强，能够提供精确稳定的试验结果。

附图说明

图1为传统岩石研磨装置研磨结果示意图

图2为本发明结构示意图

图3为岩样加持器俯视图

图4为岩样夹持器底座与钳口体的示意图

图5为本装置岩石研磨结果示意图

1：底座；2：可变速电机；3：凸形底座；4：侧面面板；5：外套；6：水平横梁；7：螺母；8：重物；9：面板；10：第一固定螺母；11：钢针；12：钻杆；13：中空的中心轴；14：夹爪；15：第二固定螺母；16：钳口体；17：传动轴。

具体实施方法

下面结合附图，进一步说明本发明。

如图1所示，一种岩石研磨参数测定装置，包括钢针11、机架、岩样加持器、钢针加持器、加载机构、岩样夹持器运动机构。

所述机架包括底座1、水平横梁6、侧面面板4；侧面钢板4通过螺母7连接水平横梁6和底座1。

所述岩样夹持器包括钳口体16、凸形底座3、第二固定螺母15；钳口体16通过凹槽固定在在凸形底座3上(如图4所示)，使得钳口体能够前后移动，但不能上下移动；第二固定螺母固定在钳口体中(如图3所示)，是由一组相同的螺母组成；第二固定螺母15的结构包括螺杆与螺帽，通过旋转第二固定螺母15的螺帽，能够前后移动钳口体16的位置，进而移动钳口体16中的岩样的位置，待岩样位置合适，则通过第二固定螺母15使得岩样与钳口体16相接触并被加紧，使得岩样中心与钢针11针尖水平偏离，实现钢针11在岩样上圆周研磨的功能。所述钻头夹持器包括中空的中心轴13、外套5、夹爪14，中空的中心轴通过螺纹固定在钻杆12上，通过旋转外套5控制夹爪14的松紧，来将钢针11固定，再进行研磨。

所述加载机构包括面板9、重物8、第一固定螺母10；其特征在于：面板第一通过螺母固定在所述机架的水平横梁6上，面板通过第一固定螺母10固定重物8，在试验时，可通过解除第一固定螺母10使重物8加载在钢针11上，重物质量为7Kg。

所述岩样夹持器运动机构包括可变速电机2、传动轴17；其特征在于可变速电机2通过螺母固定在底座1上，可变速电机提供转矩，通过传动轴17实现岩样夹持器转动。

钢针11包括国际岩石力学与工程学会标准D7625–10规定的钢针；岩石研磨性参数测量由试验后钢针针尖宽度来表征。

钳口体16设置有不同规格大小，能够对不同规格大小的岩样进行试验。

实施步骤：1.将岩样放在凸形底座3上，通过调节第二固定螺母15来改变钳口体16位置，使得岩样中心与钢针11针尖水平偏离，确定岩样位置后，调节第二固定螺母15使得岩样固定。

2.将钢针11插入钻杆12中，调节位置使得钢针11针尖刚好接触到岩样表面，转动保护套5控制夹爪14的松紧来使得钢针11固定。

3.打开第一固定螺母10，使得重物8接触到钢针11顶部并将重力加载到钢针上11。

4.打开电机2，带动岩样加持器上岩样转动。

5.实验结束后，关闭电机2，将重物8去下，旋转保护套5来打开夹爪14，取出钢针11，利用显微镜得到钢针11针尖的宽度，得到以0.1mm为单位的数值。

6.更换钢针11，调节固定螺母15改变钳口体的位置并加紧，并且调节电机2的转速，使得每组钢针11在岩样上的研磨速度不变，研磨时间都相同，电机2的转速与研磨半径呈反比。重复上述的步骤1-5，得到若干个数值，取平均值即为岩样CAI值。

Claims (7)

1.一种岩石研磨参数测定装置，其特征在于包括钢针、机架和设置在机架上的岩样加持器、钢针加持器、加载机构、岩样夹持器运动机构；

所述的岩样加持器包括钳口体、凸形底座、第二固定螺母；钳口体和第二固定螺母均设置在凸形底座上；第二固定螺母用于调节岩样的位置，使得岩样中心与钢针针尖水平偏离，并且还能实现岩样与钳口体相接触并加紧的功能；

钢针加持器包括中空的中心轴、外套、钻杆和夹爪，中空的中心轴通过螺纹固定在钻杆上，中心轴底部设置外套和夹爪，钢针设置在中空的中心轴内并贯穿中心轴和钻杆，钢针由夹爪夹持，通过旋转外套控制夹爪的松紧；

所述的岩样夹持器运动机构用于带动岩样加持器运动；

所述的加载机构设置在钢针的顶部上方；用于在试验时向钢针施加压力。

2.如权利要求1所述的岩石研磨参数测定装置，其特征在于所述的机架包括底座、水平横梁、侧面面板；水平横梁位于底座上方，侧面钢板通过螺母连接水平横梁和底座。

3.如权利要求1所述的岩石研磨参数测定装置，其特征在于所述加载机构包括面板、重物、第一固定螺母；面板固定在所述机架的水平横梁上，面板通过第一固定螺母固定重物，在试验时，通过调节第一固定螺母使重物加载在钢针上。

4.如权利要求1所述的岩石研磨参数测定装置，其特征在于所述的钳口体通过凹槽固定在在凸形底座上，使得钳口体能够前后移动，但不能上下移动；第二固定螺母固定在钳口体中，由一组相同的螺母组成；第二固定螺母的结构包括螺杆与螺帽，通过旋转第二固定螺母的螺帽，能够前后移动钳口体的位置，进而移动钳口体中的岩样的位置，待岩样位置合适，通过螺母使得岩样与钳口体相接触并被加紧，使得岩样中心与钢针针尖水平偏离，实现钢针在岩样上圆周研磨的功能。

5.如权利要求1所述的岩石研磨参数测定装置，其特征在于所述岩样夹持器运动机构包括可变速电机和传动轴；可变速电机通过螺母固定在底座上，传动轴与传动轴相连，可变速电机提供转矩，通过传动轴实现岩样夹持器的转动。

6.如权利要求1所述的岩石研磨参数测定装置，其特征在于所述的钢针优选为国际岩石力学与工程协会标准D7625–10规定的钢针；岩石研磨参数测量由试验后钢针针尖宽度来表征。

7.一种权利要求1所述装置的岩石研磨参数测定方法，其特征在于步骤如下：

步骤1.将岩样放在凸形底座上，通过调节固定螺母来改变钳口体位置，使得岩样中心与钢针针尖水平偏离，确定岩样位置后，使岩样固定；

步骤2.将钢针插入钻杆中，调节位置使得钢针针尖刚好接触到岩样表面，转动外套控制夹爪夹紧钢针固定；

步骤3.使加载机构的重物接触到钢针顶部并将重力加载到钢针上；

步骤4.打开岩样夹持器运动机构的可变速电机，带动岩样加持器上岩样转动；

步骤5.实验结束后，关闭可变速电机，将加载机构的重物去下，旋转外套来打开夹爪，取出钢针，利用显微镜得到钢针针尖的宽度，得到以0.1mm为单位的数值；

步骤6.更换钢针，调节固定螺母改变钳口体的位置并加紧，并且调节可变速电机的转速，使得每组钢针在岩样上的研磨速度不变，研磨时间都相同，可变速电机的转速与研磨半径呈反比；重复上述的步骤1-5，得到若干个数值，取平均值即为岩样CAI值。