CN109827860A - 一种重载荷压力条件下材料耐磨性的定量测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种重载荷压力条件下材料耐磨性的定量测试装置及方法，该装置包括旋转台体，固定有多个测试样品销的样品旋转卡盘通过齿轮与旋转台体的旋转轴下方啮合，测试样品销底部接触对磨岩石盘，对磨岩石盘置于对磨岩石卡盘内；压力传感器安装于对磨岩石卡盘与对磨岩石盘之间，对磨岩石卡盘固定在能够上下垂直运动的10‑100kN级液压装置上部，测试过程中通过10‑100kN级液压装置的向上运动为测试样品销提供压力载荷；系统自动控制装置通过实时测量的压力值为输入信号控制10‑100kN级液压装置的移动及旋转台体的旋转轴的转速；可在模拟工况下对实现盾构、钻探、及采矿领域掘进设备刀具材料等重载下的耐磨性能进行有效的评价。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于盾构、钻探、及采矿领域掘进设备刀具材料在重载荷压力条件下材料耐磨性的定量测试装置及方法。
技术背景
在盾构、钻探及采矿机械领域，掘进装备的刀具在极高的压力载荷下与硬质的岩石发生摩擦，由于高应力摩擦引起的严重磨损是此类工况下刀具失效的重要形式。目前常规的刀具在掘进高硬度岩石(石灰岩、火山岩等)地层时由于严重的磨损普遍存在服役寿命较短，刀具需要频繁更换的问题。频繁的更换刀具不仅会增加运行成本还会显著降低掘进效率，拖缓工期。开发新的刀具材料以适应高硬度的地质条件是延长刀具使用寿命及机械工作效率的重要途径，具有重要的经济价值和社会价值。在新材料的开发过程中，需要在测试条件下首先对新材料的耐磨性能进行充分检验验证。与常规机械磨损发生在较低的压力载荷下不同的是：盾构、钻探及采矿领域掘进设备刀具的磨损时的压力载荷要高出两个数量级以上。以盾构机的滚刀为例，掘进作业时单个刀圈的最大载荷可达300kN以上，稳定后的平均接触应力高达100MPa以上。分析认为，高硬度岩石底层内工作的盾构、钻探及采矿领域掘进设备刀具的磨损以与岩石的两体摩擦磨损为主，同时还存在一定量极小尺寸岩石碎屑及砂石造成的磨粒磨损。然而，目前几乎所有的商用两体摩擦磨损试验测试设备的最大工作载荷集中在100-5000N的水平，最大平均接触应力仅为10MPa量级，远低于上述高达100MPa以上的应力水平，试验测试条件与实际工况严重不符。实验室规模的耐磨性测试往往不能对实际工况下的材料磨损行为进行有效预测和评价，采用常规商用摩擦磨损试验设备优化的工程材料在实际工况下通常不具备良好的服役性能。高载荷压力条件下的摩擦磨损试验装置的缺失已成为制约盾构、钻探及采矿领域掘进设备刀具新材料开发效率的瓶颈之一。
发明内容
本发明的目的在于解决目前商用摩擦磨损设备载荷及应力水平较低，难以对盾构、钻探、及采矿领域掘进设备刀具的耐磨性进行有效评价的问题，提供一种重载荷压力条件下材料耐磨性的定量测试装置及方法。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种重载荷压力条件下材料耐磨性的定量测试装置，包括旋转台体1，固定有多个测试样品销3的样品旋转卡盘2通过齿轮与旋转台体1的旋转轴下方啮合，测试样品销3底部接触对磨岩石盘4，对磨岩石盘4置于对磨岩石卡盘5内；压力传感器6安装于对磨岩石卡盘5与对磨岩石盘4之间，通过对磨岩石卡盘5侧面的通孔引出信号线以实时测试实验压力，信号线连接系统自动控制装置9，对磨岩石卡盘5固定在能够上下垂直运动的10-100kN级液压装置7上部，测试过程中通过10-100kN级液压装置7的向上运动为测试样品销3提供压力载荷；系统自动控制装置9通过实时测量的压力值为输入信号控制10-100kN级液压装置7的移动及旋转台体1的旋转轴的转速。
所述测试样品销3通过插入与螺丝固定的方式固定在样品旋转卡盘2的沉孔内。
所述样品旋转卡盘2、测试样品销3、对磨岩石盘4、-对磨岩石卡盘5、压力传感器6和10-100kN级液压装置7置于透明材质的安全防护罩8内，通过安全防护罩8防止测试样品销3或对磨岩石盘4 崩裂可能造成设备及人员安全。
所述对磨岩圆盘4表面放置磨料颗粒或冷却介质。
所述旋转台体1直接通过刚度满足设计要求的立式车床或磨床改造而成。
所述的重载荷压力条件下材料耐磨性的定量测试装置的测量方法，包括如下步骤：
I)打开安全防护罩8，将三个相同尺寸的柱状的测试样品销3 通过螺丝固定在样品旋转卡盘2中的三个沉孔内，安装过程中保证三个测试样品销的下表面处于同一水平面上，安装前对每个样品进行称重和标记；
II)将与盾构机及采矿机械刀具工况条件相同或相近材质的对磨岩石盘4固定在对磨岩石卡盘5内，根据需要，在对磨岩圆盘4表面放置一定量的磨料颗粒或冷却介质；
III)手动控制模式下上升10-100kN级液压装置7调节至测试样品销3下表面与对磨岩石盘4表面距离为2-5mm，进一步微调至二者接触，接触压力不超过50N；
IV)关闭安全防护罩8，在系统控制自动装置9内设定试验载荷，在10-100kN级液压装置7逐渐加载的同时自动开启旋转台体1 的旋转轴，直至载荷达到目标值，并开始记录测试时间；
V)完成规定时间的测试后，缓慢降低载荷的同时下降10-100 kN级液压装置7使测试样品销3与对磨岩石盘4分离，最终停止测试装置；
Ⅵ)打开安全防护罩8，取出测试样品销3进行称重并根据材料密度转化为体积损失，用以评价测试材料在该条件下的耐磨性，通过轮廓仪对对磨岩石盘表面的磨痕的体积测量，评价测试材料的破岩能力。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、采用液压装置为测试样品提供压力，与目前的商用摩擦磨损试验机相比，压力可提高两个数量级以上，可如实模拟盾构、钻探、及采矿领域掘进设备的刀具真实磨损工况。
2、针对掘进设备的工作地层地质条件，可加工不同材质的对磨岩石盘对不同地质条件下的实际工况进行有效模拟。
3、测试过程中还可在对磨岩石卡盘内放入不同种类的磨料颗粒或者冷却介质，可满足多种工况的模拟。
4、该测试装置不仅可通过测量测试样品的体积损失来评价测试样品的耐磨性，还可通过测试对磨岩石圆盘表面的磨损沟槽体积评价该种测试样品的破岩能力。
5、该测试装置的旋转台体可直接通过刚度满足设计要求的立式车床或磨床进行改造，成本较低。
6、该测试装置制造、安装工艺简单，维护方便。
附图说明
图1为本发明提供的一种重载荷压力条件下材料耐磨性的定量测试装置结构示意图。
附图标记说明：
1-旋转台体；2-样品旋转卡盘；3-测试样品销；4-对磨岩石盘； 5-对磨岩石卡盘；6-压力传感器；7-10-100kN级液压装置；8-安全防护罩；9-系统自动控制装置。
具体实施方式
为使本发明更加明显易懂，以下结合附图对本发明作如下详细说明：
如附图1所示为本发明提供的一种重载荷压力条件下材料耐磨性的定量测试装置，固定有测试样品销3的样品旋转卡盘2通过齿轮与旋转台体1旋转轴下方啮合。对磨岩石盘4通过下置的对磨岩石卡盘5固定于10-100kN级液压装置7的顶端。测试过程中的试验压力通过放置于对磨岩石盘4下方的压力传感器6实时测量。试验过程中，系统自动控制装置9通过实时测量的压力值为输入信号控制10-100 kN级液压装置7的移动及旋转台体1的旋转轴的转速。
测试过程中简述如下：
I)打开安全防护罩8，将三个相同尺寸的柱状的测试样品销3 通过螺丝固定在样品旋转卡盘2中的三个沉孔内，安装过程中保证三个测试样品销的下表面处于同一水平面上，安装前对每个样品进行称重和标记。
II)将与盾构机及采矿机械刀具工况条件相同或相近材质的对磨岩石盘4固定在对磨岩石卡盘5内，如需要可在对磨岩圆盘4表面放置一定量的磨料颗粒或冷却介质。
III)手动控制模式下上升10-100kN级液压装置7调节至测试样品销3下表面与对磨岩石盘4表面距离为2-5mm，进一步微调至二者接触，接触压力不超过50N。
IV)关闭安全防护罩8，在系统控制自动装置9内设定试验载荷，在10-100kN级液压装置7逐渐加载的同时通过程序设定自动开启旋转台体1的旋转轴,直至载荷达到目标值，并开始记录测试时间。
V)完成规定时间的测试后，缓慢降低载荷的同时下降10-100 kN级液压装置7使测试样品销3与对磨岩石盘4分离，最终停止测试装置。
Ⅵ)打开安全防护罩8，取出测试样品销3进行称重并根据材料密度转化为体积损失，用以评价测试材料在该条件下的耐磨性，通过轮廓仪对对磨岩石盘表面的磨痕的体积测量，评价测试材料的破岩能力。
Claims (6)
1.一种重载荷压力条件下材料耐磨性的定量测试装置，其特征在于：包括旋转台体(1)，固定有多个测试样品销(3)的样品旋转卡盘(2)通过齿轮与旋转台体(1)的旋转轴下方啮合，测试样品销(3)底部接触对磨岩石盘(4)，对磨岩石盘(4)置于对磨岩石卡盘(5)内；压力传感器(6)安装于对磨岩石卡盘(5)与对磨岩石盘(4)之间，通过对磨岩石卡盘(5)侧面的通孔引出信号线以实时测试实验压力，信号线连接系统自动控制装置(9)，对磨岩石卡盘(5)固定在能够上下垂直运动的10-100kN级液压装置(7)上部，测试过程中通过10-100kN级液压装置(7)的向上运动为测试样品销(3)提供压力载荷；系统自动控制装置(9)通过实时测量的压力值为输入信号控制10-100kN级液压装置(7)的移动及旋转台体(1)的旋转轴的转速。
2.如权利要求1所述的一种重载荷压力条件下材料耐磨性的定量测试装置，其特征在于：测试样品销(3)通过插入与螺丝固定的方式固定在样品旋转卡盘(2)的沉孔内。
3.如权利要求1所述的一种重载荷压力条件下材料耐磨性的定量测试装置，其特征在于：所述样品旋转卡盘(2)、测试样品销(3)、对磨岩石盘(4)、-对磨岩石卡盘(5)、压力传感器(6)和10-100kN级液压装置(7)置于透明材质的安全防护罩(8)内，通过安全防护罩(8)防止测试样品销(3)或对磨岩石盘(4)崩裂可能造成设备及人员安全。
4.如权利要求1所述的一种重载荷压力条件下材料耐磨性的定量测试装置，其特征在于：所述对磨岩圆盘(4)表面放置磨料颗粒或冷却介质。
5.如权利要求1所述的一种重载荷压力条件下材料耐磨性的定量测试装置，其特征在于：所述旋转台体(1)直接通过刚度满足设计要求的立式车床或磨床改造而成。
6.权利要求1至5任一项所述的重载荷压力条件下材料耐磨性的定量测试装置的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
I)打开安全防护罩(8)，将三个相同尺寸的柱状的测试样品销(3)通过螺丝固定在样品旋转卡盘(2)中的三个沉孔内，安装过程中保证三个测试样品销的下表面处于同一水平面上，安装前对每个样品进行称重和标记；
II)将与盾构机及采矿机械刀具工况条件相同或相近材质的对磨岩石盘(4)固定在对磨岩石卡盘(5)内，根据需要，在对磨岩圆盘(4)表面放置一定量的磨料颗粒或冷却介质；
III)手动控制模式下上升10-100kN级液压装置(7)调节至测试样品销(3)下表面与对磨岩石盘(4)表面距离为2-5mm，进一步微调至二者接触，接触压力不超过50N；
IV)关闭安全防护罩(8)，在系统控制自动装置(9)内设定试验载荷，在10-100kN级液压装置(7)逐渐加载的同时自动开启旋转台体(1)的旋转轴，直至载荷达到目标值，并开始记录测试时间；
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