CN109946187B - 一种用于硬质土层的盾构刀具磨损实验装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于硬质土层的盾构刀具磨损实验装置及使用方法，其中实验装置包括实验箱，所述实验箱内设置有土样和动力轴，所述土样为天然硬质土或加入调节剂的条件硬质土，所述动力轴沿竖向设置于实验箱内，且在动力轴上设置有刀具载体，所述刀具载体上设置有实验刀具，所述动力轴带动刀具载体在土样中旋转及上下移动，所述动力轴上还设置有扭矩传感器。本发明中的实验装置能够模拟盾构机在土层中的掘进过程，可用于研究不同土样中对刀具的磨损，以及硬质土调理对盾构刀具磨损的影响，从而指导隧道设计人员和改性剂生产者在不同硬质土和地下条件下的最佳磨损选择，以便更好地指导盾构隧道设计与施工。
Description
技术领域
本发明涉及盾构开挖技术领域，特别涉及一种用于硬质土层的盾构刀具磨损实验装置及使用方法。
背景技术
盾构机在掘进过程中会发生刀具磨损现象，而恢复磨损的刀具需要花费较多的时间及物力，因而会对隧道施工产生不利影响。为了仔细规划施工时间、施工成本和开挖过程，对盾构刀具磨损的研究已成为当今研究的基础。因此，隧道工程技术人员需要有可行的、经过检验的实验室程序，才能提供可靠的结果，可用于预测磨损情况。许多研究都涉及到这个问题，并且已经提出了不同的设备和程序，但是没有得到普遍认可的测试。
TBM岩体开挖中使用的滚动式刀具(即滚刀)的磨损已得到广泛的分析，标准化的试验已被提出并被技术文献所接受。最常用的实验室测试是：维克斯试验、Cerchar试验、LPCP磨耗计试验和NTNU磨损试验。考虑到硬质土的磨损，主要影响土的土压力分布和液压盾构TBM。众所周知，地层磨耗性主要受原地地层特征(均质性、密度、孔隙度)、沉积特征(矿物成分和颗粒形状)和颗粒力学特征(单轴抗压强度和硬质矿物含量)的影响。
此外，在掘进中，对硬质土的调控完全改变了磨损模式，导致工具与嵌入钻头和刀盘糊状塑性土一起工作。当预计会遇到磨损问题时，应在开始挖掘之前进行正确的调控设计。研究主要是确定一种能够将硬质土特性与工具寿命联系起来的指标。到目前为止，各种研究都提出了不同的试验方法，它们一般是以硬质土内部旋转的磨损元件为基础的。已有关于硬质土水分对磨损的影响、钢硬度的影响的试验表明：磨损量与水分之间的关系呈钟状变化，最大磨损量约为测试硬质土中水分含量的7-10％；钢硬度越大材料磨损较少。
根据Peila等人评估的程序，对条件硬质土进行了最佳可作业性的调节。奥纳特·萨拉扎等人对这一测试程序进行了改进，降低转速并使用钢制圆盘。Hedayatzadeh等人(2015年)研究了压力作用下更复杂的磨损工具在不同条件设定下的影响。Gharahbagh等人(2014年)利用他先前开发的装置，对硅砂泡沫处理的影响进行了实验研究。他们的结果突出了硅砂泡沫在减少磨损方面的重要性，但很少有人研究过硬质土调理对磨损的影响。因此，有必要提供一种硬质土层的盾构刀具磨损实验装置，以便研究对硬质土进行调理如何影响盾构刀具磨损情况的试验。
发明内容
本发明目的在于：为了研究对硬质土进行调理如何影响盾构刀具磨损情况的问题，提供一种用于硬质土层的盾构刀具磨损实验装置，该装置能够模拟盾构机在土层中的掘进过程，可用于研究在不同土样中进行盾构施工时对盾构刀具的磨损情况，以便更好地指导盾构隧道设计与施工。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于硬质土层的盾构刀具磨损实验装置，包括实验箱，所述实验箱内设置有土样和动力轴，所述土样为天然硬质土或加入调节剂的条件硬质土，所述动力轴沿竖向设置于实验箱内，且在动力轴上设置有刀具载体，所述刀具载体上设置有实验刀具，所述动力轴带动刀具载体在土样中旋转及上下移动，所述动力轴上还设置有扭矩传感器。
本发明通过设置实验箱，并在实验箱内设置土样用于模拟地层，且土样为天然硬质土或加入调节剂的条件硬质土；通过在实验箱内设置动力轴，并在动力轴上设置刀具载体，在刀具载体上设置实验刀具，用于模拟盾构刀盘；通过动力轴带动刀具载体在土样中旋转及上下移动，从而形成对刀具的磨损；并通过设置扭矩传感器来检测在不同模拟土样中的扭矩；该装置能够模拟盾构机在土层中的掘进过程，可用于研究不同土样中对刀具的磨损，以及硬质土调理对盾构刀具磨损的影响，从而指导隧道设计人员和改性剂生产者在不同硬质土和地下条件下的最佳磨损选择，以便更好地指导盾构隧道设计与施工。
作为本发明的优选方案，所述实验箱为筒状结构，且实验箱下部设置有支撑座。采用筒状结构的实验箱，可以节省整个装置的占地空间，且通过设置支撑座可以使实验箱在进行实验时具有较好的稳定性。
作为本发明的优选方案，所述调节剂为聚泡剂。通过设置聚泡剂对实验土样进行调理，以研究硬质土调理对刀具磨损的影响。
作为本发明的优选方案，所述扭矩传感器为数字式扭矩传感器，便于测量在不同模拟土样中的扭矩值。
作为本发明的优选方案，所述实验刀具包括M5级硬质合金刀具和160HV的常规钢刀具。通过采用两种不同材质的刀具进行对比实验，可以研究刀具材料硬度对刀具磨损的影响。
本发明还提供一种用于硬质土层的盾构刀具磨损实验装置使用方法，包括以下步骤：
a、准备硬质土土样，若进行条件硬质土试验，则在硬质土中加入调节剂和水并进行混合搅拌均匀；
b、测量实验刀具的质量及其边缘轮廓的长度，并将实验刀具安装在刀具载体上；
c、将土样填装在实验箱中，然后将刀具载体安装在动力轴上，并安装连接扭矩传感器；
d、动力轴带动刀具载体在土样中旋转并上下移动进行磨损实验。
本方法通过选择不同的实验土样，并在实验前对实验刀具的质量及其边缘轮廓的长度进行测量，通过动力轴带动刀具载体在土样中旋转并上下移动进行磨损实验，并在实验结束后对刀具磨损数据进行对比分析，以研究硬质土调理对盾构刀具磨损的影响，从而指导隧道设计人员和改性剂生产者在不同硬质土和地下条件下的最佳磨损选择，以便更好地指导盾构隧道设计与施工。
作为本发明的优选方案，所述步骤d中的磨损实验包括以下步骤：
①刀具载体从土样表面开始旋转15s；
②刀具载体向下移动到距土样表面90mm的位置，移动速度约为1.3mm/s；
③然后刀具载体在步骤②中的位置旋转约180s；
④刀具载体向上移动，移动速度约为1.3mm/s；
⑤当刀具载体到达土样表面时，立即重复步骤②、③和④进行第二轮；
⑥在第二轮之后，重复步骤②和③，然后在刀具载体完全嵌入土样后停止实验。
通过采用上述标准化的磨损实验过程，使得刀具旋转时间和移动速度等均为统一参数，克服了不同实验人员操作上的随意性，可以避免实验的偶然性，有利于提高实验的严谨性。
作为本发明的优选方案，采用视频显微镜观察磨损实验后刀具刃口的图像以显示刀具磨损后的几何变化。
作为本发明的优选方案，采用轮廓仪测量实验刀具轮廓，对刀具边缘进行定量分析，并对比原始的几何图形和磨损后的几何图形，得到刀具体积损失。
作为本发明的优选方案，根据磨损实验后的刀具轮廓测量曲率半径。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明通过设置实验箱，并在实验箱内设置土样用于模拟地层，且土样为天然硬质土或加入调节剂的条件硬质土；通过在实验箱内设置动力轴，并在动力轴上设置刀具载体，在刀具载体上设置实验刀具，用于模拟盾构刀盘；通过动力轴带动刀具载体在土样中旋转及上下移动，从而形成对刀具的磨损；并通过设置扭矩传感器来检测在不同模拟土样中的扭矩；该装置能够模拟盾构机在土层中的掘进过程，可用于研究不同土样中对刀具的磨损，以及硬质土调理对盾构刀具磨损的影响，从而指导隧道设计人员和改性剂生产者在不同硬质土和地下条件下的最佳磨损选择，以便更好地指导盾构隧道设计与施工。
附图说明
图1为本发明中的实验装置示意图。
图2为刀具载体的技术图纸。
图3为实验刀具的整体及断面示意图。
图4为磨损试验过程方案。
图5为石英砂粒度分布图。
图6为石英砂相对比显微分析图像。
图7为硬质合金刀具磨损试验时天然土和条件土扭矩比较。
图8为磨损刀具摩擦学表征方案原理图。
图9为原始的和磨损的刀具轮廓图。
图10为天然土和条件土磨损实验测量的刀具曲率半径。
图11为天然土和条件土中硬质合金刀具的面积损失。
图12为天然土和条件土中常规钢刀具的面积损失。
图13为刀具在每个磨损循环后的形状。
图14为常规钢刀具的比体积损失与路径长度的关系。
图15为硬质合金刀具的比体积损失与路径长度的关系。
图中标记：1-实验箱，11-支撑座，12-盖板，2-土样，3-动力轴，4-刀具载体，5-刀具。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供一种用于硬质土层的盾构刀具磨损实验装置；
如图1-图3所示，本实施例中的用于硬质土层的盾构刀具磨损实验装置，包括实验箱，所述实验箱内设置有土样和动力轴，所述土样为天然硬质土或加入调节剂的条件硬质土，所述动力轴沿竖向设置于实验箱内，且在动力轴上设置有刀具载体，所述刀具载体上设置有实验刀具，所述动力轴带动刀具载体在土样中旋转及上下移动，所述动力轴上还设置有扭矩传感器。
本发明通过设置实验箱，并在实验箱内设置土样用于模拟地层，且土样为天然硬质土或加入调节剂的条件硬质土；通过在实验箱内设置动力轴，并在动力轴上设置刀具载体，在刀具载体上设置实验刀具，用于模拟盾构刀盘；通过动力轴带动刀具载体在土样中旋转及上下移动，从而形成对刀具的磨损；并通过设置扭矩传感器来检测在不同模拟土样中的扭矩；该装置能够模拟盾构机在土层中的掘进过程，可用于研究不同土样中对刀具的磨损，以及硬质土调理对盾构刀具磨损的影响，从而指导隧道设计人员和改性剂生产者在不同硬质土和地下条件下的最佳磨损选择，以便更好地指导盾构隧道设计与施工。
本实施例中，所述实验箱为筒状结构，具体为一个高为300mm、直径为308mm的钢箱，且在实验箱底部设置有支撑座，在实验箱顶部设置有盖板。采用筒状结构的实验箱，可以节省整个装置的占地空间，通过设置支撑座可以使实验箱在进行实验时具有较好的稳定性；在实验箱顶部设置盖板，可以避免实验过程中箱体中的土样飞溅。本实施例中的动力轴设置于实验箱中心位置，且贯穿箱体底板和盖板，以防止动力轴旋转时出现较大晃动。
本实施例中，所述实验箱内土样填充高度为距箱体底部170mm。本实施例中的天然硬质土是通过直接利用采石场设备进行机械破碎的方法获得的，且天然硬质土的自然含水量按重量计为2％，主要矿物成分为：石英98％，长石和铁杂质2％。本实施例中，所述调节剂为聚泡剂，泡沫膨胀比为10，生成液中表面活性剂体积浓度为2％。通过设置聚泡剂对实验土样进行调理，以研究硬质土调理对刀具磨损的影响。
本实施例中，所述扭矩传感器为数字式扭矩传感器，其安装于动力轴上，便于测量在不同模拟土样中的扭矩值。所述动力轴通过电机带动旋转，其转速为160rpm。
本实施例中，所述实验刀具包括由钨钴合成的M5级硬质合金刀具和维氏硬度为160HV的常规钢刀具。通过采用两种不同材质的刀具进行对比实验，可以研究刀具材料硬度对刀具磨损的影响。
实施例2
本实施例提供一种用于硬质土层的盾构刀具磨损实验装置使用方法；
如图1-图15所示，本实施例中的用于硬质土层的盾构刀具磨损实验装置使用方法，包括以下步骤：
a、准备25kg硬质土土样，若进行条件硬质土试验，则在硬质土中加入调节剂和水并进行混合搅拌均匀；
b、测量实验刀具的质量及其边缘轮廓的长度，并将实验刀具安装在刀具载体上；
c、将土样填装在实验箱中，填充高度为距箱体底部170mm，然后将刀具载体安装在动力轴上与土样表面接触，并安装连接扭矩传感器；
d、动力轴带动刀具载体在土样中旋转进行磨损循环实验，为了模拟临界工况并引起侵略性磨损，刀具载体有规律的上下移动，运动距离为90mm，即土样表面为位置1，距离土样表面向下90mm处为位置2。
本方法通过选择不同的实验土样，并在实验前对实验刀具的质量及其边缘轮廓的长度进行测量，通过动力轴带动刀具载体在土样中旋转并上下移动进行磨损实验，并在实验结束后对刀具磨损数据进行对比分析，以研究硬质土调理对盾构刀具磨损的影响，从而指导隧道设计人员和改性剂生产者在不同硬质土和地下条件下的最佳磨损选择，以便更好地指导盾构隧道设计与施工。
本实施例中，为了缩短测试时间，刀具载体的转速一直保持在较高的水平，并允许与混合液中持续产生的气泡一起工作。
本实施例中，所述天然硬质土是通过直接利用采石场设备进行机械破碎的方法获得的，天然硬质土的自然含水量按重量计为2％，主要矿物成分为：石英98％，长石和铁杂质2％，如图5所示为石英砂粒度分布图，图6为石英砂相对比显微分析图像。本实施例中，所述调节剂是聚泡剂，泡沫膨胀比为10，生成液中表面活性剂体积浓度为2％。优选的调节剂配合比为：含水率5％(2％天然，3％外加水)，FIR(泡沫注入比)为40％，FER(泡沫膨胀比)为10。
本实施例中，所述步骤d中的磨损循环实验包括以下步骤：
①刀具载体从土样表面(位置1)开始旋转15s；
②刀具载体向下移动到距离土样表面90mm处(位置2)，移动速度约为1.3mm/s；
③然后刀具载体在步骤②中的位置(位置2)旋转约180s；
④刀具载体向上移动，移动速度约为1.3mm/s；
⑤当刀具载体到达土样表面(位置1)时，立即重复步骤②、③和④进行第二轮；
⑥在第二轮之后，重复步骤②和③，然后在刀具载体完全嵌入土样后停止实验。
通过采用上述标准化的磨损实验过程，使得刀具旋转时间和移动速度等均为统一参数，克服了不同实验人员操作上的随意性，可以避免实验的偶然性，有利于提高实验的严谨性。为提高试验结果准确性，可以上述的磨损循环实验周期可按需要重复一次。
本实施例中，在测试结束时，从刀具载体上取下刀具，测量其边缘长度并扫描每个磨损试验周期(如图4)对应于大约1200m的刀具磨损路径长度(考虑到刀具在与旋转轴的最大距离上的点，即测试装置的外部边缘)。所描述的磨损试验周期可按需要重复一次，以改变硬质土条件。为了避免偶然性，可以对比不同硬质土条件下刀具的磨损情况。
本实施例中，所述刀具在每一个循环后都会被表征，摩擦学测量的目标是：量化天然土和条件土对磨损工具的体积损耗；确定磨损最严重的刀具位置，并研究磨损机理；对刀具几何形状的变化进行表征，并验证这些数据是否能成为评价硬质土磨损作用的具有代表性的参数。如图8所示为磨损工具摩擦学表征方案原理图。
本实施例中，用视频显微镜观察到的试验后刀具刃口的图像以显示刀具在三次磨损后的几何变化，如图13为刀具在每个磨损循环后的形状。刀具的几何形状是在七个截面上测定的，计算出的曲率半径是衡量磨损几何形状的良好指标，具有测量简单的优点。通过使用轮廓仪(MarSurfCD120型)测量刀具样品轮廓，对边缘进行定量分析，并对比原始的几何图形和磨损后的几何图形，可以得到体积损失，如图9所示。图10为天然土和条件土磨损实验测量的刀具曲率半径，图11为天然土和条件土中硬质合金刀具的面积损失，图12为天然土和条件土中常规钢刀具的面积损失。
本实施例中，曲率半径指数(Icr)(mm/km)表示刀具在刀具边缘的安装面积之比除以刀具所承载的距离(经过3次磨损循环后)；磨损3次后的体积损失(ΔV)(mm3)由磨损刀具的形状与原始刀具的形状不同所表示，该指数考虑了锐角、刀面和刀刃的整体磨损；磨损指数(IWeC)(mm3/km)是指每一次磨损循环后插入比体积损失(ΔV/原始体积)的直线斜率。如图14所示为常规钢刀具的比体积损失与路径长度的关系，图15为硬质合金刀具的比体积损失与路径长度的关系。
表1总结了所进行的主要试验数据。
如图7所示为硬质合金刀具磨损试验时天然土和条件土扭矩比较，试验结果表明，在条件土和天然土中，扭矩水平存在很大的差异。刀具载体的较低位置(位置2)，天然硬质土扭矩在12～16Nm之间，而对于条件硬质土扭矩，其值在1.5Nm左右。
为了显示刀具在三次磨损后的几何变化，用视频显微镜观察刀具刃口的图像。如预期的那样，可以观察到最大磨损发生在刀具边缘附近，其中有三个磨损表面。通过对两种材料磨损形态的比较，可以看出，M5硬质合金刀具的磨损主要集中在刀具的锋利边缘处。在刀具侧面只能检测到很少的磨损。而常规钢工具在边缘和侧面都表现出较强的磨损，可以检测到点蚀和重大磨损区的形成。此外，使用调节剂可以显着地减少磨损，就像在天然硬质土和条件硬质土中使用硬质合金工具所显示的那样。
摩擦学作用是通过曲率半径的行为来量化的：曲率半径值的增加会向外边缘移动，而外部边缘在磨损试验中会受到最大切向速度的影响。在天然硬质土中，常规钢刀具的曲率半径为2.15mm，M5硬质合金刀具的曲率半径为0.585mm。当使用条件土时，这些值分别减少到1.25mm(减少约45％)和0.31mm(减少约47％)。这些结果定量地证实了调节剂有效地减少了磨损。
硬质合金M5刀具在天然硬质土中的体积损失范围为1.02mm3，在条件土中约为0.25mm3(约减少75％)，而常规钢的体积损失范围为148.8mm3至66.5mm3(减少约55％)。在常规钢刀具中，磨损明显，一些石英颗粒仍嵌入在刀具表面，磨损既发生在刀刃上，也发生在面部。比较磨损刀具在天然土和条件土中测试的结果，表明在条件土中石英砂颗粒在刀具表面的数量有了很大的减少。
表2总结了所有测量结果和计算指标。
本实施例中，实验刀具具有尖锐的刀尖形状，以便在条件良好的硬质土中进行试验时也能提供可靠的结果，即使测试时间很短它们也能够回馈可测量的数据。这一特性是测试的关键，因为最常用的调节剂(即聚泡剂)的寿命相对较短。此外，刀具形状使得即使在研究硬材料(如用作钻具插入材料的材料)时也能获得可测量的数据，这些材料不应在短时间内遭受磨损。设计的刀具有一个尖锐的形状，允许简单的扭矩测量装置和测试期间的重量损失测量装置工作，并且经过测试，还对磨损刀具的几何形状进行了精确的几何评定。
本实施例中，实验刀具磨损后的曲率半径和在测试结束时体积的损失量使定义磨损指数(IWeC)成为可能：计算出的比体积损失与刀具路径长度的平均斜率。该指数综合考虑了刀具在硬质土内部测试过程中的路径和诱发磨损。本研究确定并提出的各项指标可用于评价和比较不同调节剂和不同调理机组的积极效应，指导隧道设计人员和改性剂生产者在不同硬质土和地下条件下的最佳磨损选择。因此，在盾构掘进机上，各项指标可以与刀具性能联系起来，并可用于设计阶段的磨损预测。将盾构掘进机在特定的地质环境中工作发生的磨损和在实验室复杂环境下的测试联系起来：比较许多真实的隧道数据和实验室结果可能使这种联系成为可能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原理之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种用于硬质土层的盾构刀具磨损实验装置的使用方法，其特征在于，一种用于硬质土层的盾构刀具磨损实验装置包括实验箱，所述实验箱为筒状结构，且实验箱下部设置有支撑座，所述实验箱内设置有土样和动力轴，所述土样为天然硬质土加入调节剂的条件硬质土，天然硬质土通过直接利用采石场设备进行机械破碎的方法获得，且天然硬质土的自然含水量按重量计为 2%，主要矿物成分为：石英 98%，长石和铁杂质 2%，所述调节剂为聚泡剂，泡沫膨胀比为 10，生成液中表面活性剂体积浓度为 2%，所述动力轴沿竖向设置于实验箱内，且在动力轴上设置有刀具载体，所述刀具载体上设置有实验刀具，刀具具有尖锐的刀尖形状，所述实验刀具包括 M5 级硬质合金刀具和 160HV 的常规钢刀具，所述动力轴上还设置有扭矩传感器，所述动力轴带动刀具载体在土样中旋转及上下移动进行磨损试验，采用两种不同材质的刀具进行对比实验，
包括以下步骤：
a、准备硬质土土样，进行条件硬质土试验，在硬质土中加入调节剂和水并进行混合搅拌均匀；
b、测量实验刀具的质量及其边缘轮廓的长度，并将实验刀具安装在刀具载体上；
c、将土样填装在实验箱中，然后将刀具载体安装在动力轴上，并安装连接扭矩传感器；
d、动力轴带动刀具载体在土样中旋转并上下移动进行磨损实验；
所述步骤 d 中的磨损实验包括以下步骤：
①刀具载体从土样表面开始旋转 15s；
②刀具载体向下移动到距土样表面 90mm 的位置，移动速度为1.3mm/s；
③然后刀具载体在步骤②中的位置旋转180s；
④刀具载体向上移动，移动速度为1.3mm/s；
⑤当刀具载体到达土样表面时，立即重复步骤②、③和④进行第二轮；
⑥在第二轮之后，重复步骤②和③，然后在刀具载体完全嵌入土样后停止实验；
测试结束时，从刀具载体上取下刀具，测量其边缘长度并扫描每个磨损实验周期对应于1200m的刀具磨损路径长度，量化天然土和条件土对磨损工具的体积损耗；确定磨损最严重的刀具位置，并研究磨损机理；对刀具几何形状的变化进行表征，并验证这些数据是否能成为评价硬质土磨损作用的具有代表性的参数，指标包括硬质土条件、刀具材料类型、刀具路径长度、体积损失量、比体积损失量、曲率半径指数、磨损指数；根据磨损实验后的刀具轮廓测量曲率半径，根据实验刀具磨损后的曲率半径和在测试结束时体积的损失量定义磨损指数，曲率半径指数表示刀具在刀具边缘的安装面积之比除以刀具经过三次磨损循环后所承载的距离，该指数考虑了锐角、刀面和刀刃的整体磨损，磨损指数是指每一次磨损循环后插入比体积损失的直线斜率；
包括：采用视频显微镜观察磨损实验后刀具刃口的图像以显示刀具磨损后的几何变化；
在七个截面上测定刀具的几何形状；
采用轮廓仪测量实验刀具轮廓，对刀具边缘进行定量分析，并对比原始的几何图形和磨损后的几何图形，得到刀具体积损失，磨损三次后的体积损失由磨损刀具的形状与原始刀具的形状不同所表示。
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