CN111307635A - 测定盾构刀具在越江海砂层中磨损系数的试验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测定盾构刀具在越江海砂层中磨损系数的试验装置和方法。该装置包括：试验台架、试验材料箱、模型刀盘、模型刀具、转速传感器、扭矩传感器、气泵和PLC控制系统；试验台架由四根圆柱形立柱、上顶板、限位活动板、底板、液压驱动马达固定支架和底座组成，试验材料箱内装入模拟越江海砂层的试验材料；模型刀具安装在模型刀盘上，气泵通过输气管连接在试验材料箱上，对试验材料箱进行加压，转速传感器和扭矩传感器分别通过数据线与PLC控制系统相连。本发明可以得到不同石英含量下刀具磨损系数平均值，通过不同石英含量的磨损系数平均值拟合出石英含量与刀具磨损系数的关系，可探究越江海砂层中石英含量对刀具磨损的影响。

Description

测定盾构刀具在越江海砂层中磨损系数的试验装置和方法

技术领域

本发明涉及刀具检测技术领域，尤其涉及一种测定盾构刀具在越江海砂层中磨损系数的试验装置和方法。

背景技术

越江海隧道由于其独特的不受气候影响、通行能力稳定、抵抗战争破坏强以及不破坏航运等特点，日益成为城市、地区、甚至国家之间的重要连接手段和交通命脉。在越江海隧道盾构施工过程中，刀具严重磨损导致的开仓换刀问题难以避免，但水下开仓换刀风险极大，极大地增加了施工成本与工程风险，无法预期的开仓换刀时间以及开仓换刀带来的风险成为了限制越江海盾构隧道发展的重要限制因素之一。作为越江海盾构隧道掘进过程中的最主要的技术难题之一，如何有效地预测刀具磨损，控制和减少刀具磨损，并人为地合理地选择开仓换刀时机对越江海地层盾构施工至关重要。

砂层在越江海盾构穿越工程中十分常见，在砂层地层中，石英含量的多少一定程度上决定了刀具的磨损量的大小，但是目前还没有关于石英含量与刀具磨损系数相关性的定量研究。同时，探究越江海砂层中盾构刀具的磨损系数与石英含量的关系，需要设计相应的试验装置及试验方法对其进行探究。因此，为了对越江海砂层中盾构刀具的磨损进行预测，指导盾构适时的开仓换刀，保证在越江海砂层中盾构施工安全顺利的进行，有必要研究一种可测定盾构刀具在越江海砂层中磨损系数的模型试验装置及试验方法。

发明内容

本发明的实施例提供了一种测定盾构刀具在越江海砂层中磨损系数的试验装置和方法，以解决上述背景技术中的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

根据本发明的一方面，提供了一种测定盾构刀具在越江海砂层中磨损系数的试验装置，包括：试验台架、试验材料箱、模型刀盘、模型刀具、转速传感器、扭矩传感器、气泵和PLC控制系统；

所述试验台架由四根圆柱形立柱、上顶板、限位活动板、底板、液压驱动马达固定支架和底座组成，其中，四根圆柱形立柱用于固定上顶板、限位活动板和底板；

所述试验材料箱固定安装在试验台架的底板上，箱内装入模拟越江海砂层的试验材料；所述模型刀具安装在所述模型刀盘上，气泵通过输气管连接在试验材料箱上，对试验材料箱进行加压，所述转速传感器和所述扭矩传感器分别通过数据线与PLC控制系统相连。

优选地，所述试验台架的立柱上端为阶梯型，用于上顶板的安装，上顶板中部留有一圆孔，为推进中心轴承的竖向运动提供空间，液压驱动马达固定支架焊接于限位活动板上，底板用于固定试验材料箱。

优选地，所述模型刀盘由中心圆板、刀盘辐条、刀盘环架和可装卸面板组成，其中，中心圆板与刀盘环架通过四根刀盘辐条焊接在一起，四根刀盘辐条成十字形布置，可装卸面板通过螺栓与中心圆板和刀盘环架连接。

优选地，所述中心圆板背面焊接刀盘连接座，该刀盘连接座与推进中心轴承栓接，正面预留螺栓孔，在该螺栓孔上安装刀座，模型刀具安装于刀座上。

优选地，所述刀盘辐条两侧沿其长边布置两贯穿的螺栓孔，在该螺栓孔上安装模型切刀。

优选地，所述刀盘面板能够根据需要同时模拟盾构刀盘上不同位置的刀具，并改变刀间距，所述模型刀具能够根据试验需求改变模型刀具的倒角、刃角、刃宽形状参数及模型刀具的硬度。

优选地，所述转速传感器安装在液压驱动马达固定支架侧面，通过转速传感器监测中心轴承的转速与圈数，扭矩传感器安装在液压驱动马达与推进中心轴承之间，监测模型刀盘的扭矩，位移传感器监测模型刀具的推进速度，液压油缸的压力传感器监测模型刀具的推力，转速传感器、扭矩传感器、位移传感器和液压油缸的压力传感器分别通过数据线与数据采集仪相连，数据采集仪通过数据线与数据处理装置相连，所述数据采集仪与数据处理装置均集成在PLC控制系统中。

根据本发明的另一方面，提供了一种测定盾构刀具在越江海砂层中磨损系数的试验方法，应用于所述的装置，包括以下步骤：

步骤(1)、测量目标地层的地层参数、粒径或者级配情况；

步骤(2)、根据测得的目标地层的地层参数、粒径或者级配情况，结合室内土工正交试验，确定配置对应材料的组成、颗粒级配、添加剂及含水率，通过不同粒径和含量的石英砂替换组合，配置不同石英含量的试验材料；

步骤(3)、使用与目标地层相同级配、不同石英含量的试验材料进行多组刀具的磨损试验；

步骤(4)、根据多组刀具的磨损试验结果建立不同石英含量下磨损系数的数学计算模型，通过实测地层石英含量，计算确定该石英含量下刀具的磨损系数。

优选地，所述步骤(1)中的地层参数包括摩擦角、粘聚力、含水量、压实度，测定方法为在现场取原状土，对原状土进行三轴试验或直剪试验确定其摩擦角、粘聚力，采用比重法测定原状土的含水量，采用挖坑灌砂法测定其密实度，颗粒级配采用筛分析方法测定。

优选地，所述步骤(3)中的所述刀具的磨损试验步骤如下：

1)测定每组试验中所用模型刀具的初始质量、硬度；

2)将模型刀具安装于刀具磨损试验机的模型刀盘上，并将试验材料置于试验材料箱中，每组模型刀具进行n次m_x％石英含量的试验，n≥3，每次使用一份试验材料，每次试验结束后将模型刀具从模型刀盘上卸下，进行清理，之后对模型刀具进行称重，n次试验结束后，记录模型刀具的初始质量及每次试验后模型刀具的质量；

步骤(4)中的所述不同石英含量下磨损系数的数学计算模型，通过以下步骤建立：

1)根据模型刀具4的初始质量以及n次刀具磨损试验后，模型刀具每次磨损试验后的质量以及n次磨损试验后每把模型刀具各自的切削距离，建立切削距离与磨损质量的关系，得出m_x％石英含量情况下刀具的磨损系数平均值；

2)依次进行多种石英含量的磨损试验，并计算得到各种石英含量下刀具的磨损系数平均值；

3)对各种石英含量下的磨损系数平均值与石英含量进行数值拟合，得到磨损系数平均值与石英含量的函数关系。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过利用不同石英含量条件下的试验材料对模型刀具进行刀具磨损试验，先得到每种石英含量下刀具各自磨损系数平均值，再通过每种石英含量下的刀具各自磨损系数平均值拟合出石英含量与刀具磨损系数的关系，可探究越江海砂层中石英含量对刀具磨损的影响，为盾构在越江海砂层中施工的刀具磨损的研究提供了科学依据。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种测定盾构刀具在越江海砂层中磨损系数的试验装置的结构图；

图2为本发明实施例提供的一种盾构刀具在越江海砂层中磨损系数测定的试验流程图；

其中1-试验台架，2-试验材料箱，3-模型刀盘，4-模型刀具，5-转速传感器，6-扭矩传感器，7-气泵，8-PLC控制系统。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提供了一种测定盾构刀具在越江海砂层中磨损系数的模型试验装置及试验方法，通过利用不同石英含量条件下的试验材料对模型刀具进行刀具磨损试验，先得到每种石英含量下刀具各自磨损系数平均值，再通过每种石英含量下的刀具各自磨损系数平均值拟合出石英含量与刀具磨损系数的关系，可探究越江海砂层中石英含量对刀具磨损的影响。

图1为本发明实施例提供的一种测定盾构刀具在越江海砂层中磨损系数的试验装置的结构图，包括：试验台架1，试验材料箱2，模型刀盘3，模型刀具4，转速传感器5，扭矩传感器6，气泵7和PLC(Programmable Controller，可编程控制器)控制系统8。

所述试验台架1由四根圆柱形立柱、上顶板、限位活动板、底板、液压驱动马达固定支架和底座组成，其中，四根圆柱形立柱用于固定上顶板、限位活动板和底板，立柱上端为阶梯型，用于上顶板的安装，上顶板中部留有一圆孔，为推进中心轴承的竖向运动提供空间，液压驱动马达固定支架焊接于限位活动板上，底板用于固定试验材料箱。

所述试验材料箱2为圆筒形，固定安装在试验台架的底板上。箱内装入模拟越江海砂层的试验材料，每次试验后，可将试验箱拆除，便于试验材料的更换。

所述模型刀盘3由中心圆板、刀盘辐条、刀盘环架和可装卸面板组成，其中，中心圆板与刀盘环架通过四根刀盘辐条焊接在一起，四根刀盘辐条成十字形布置，可装卸面板通过螺栓与中心圆板和刀盘环架连接。

优选地，所述中心圆板背面焊接刀盘连接座，可与推进中心轴承栓接，正面预留螺栓孔，用于中心鱼尾刀等刀具的安装；

优选地，所述的刀盘辐条两侧沿其长边布置两贯穿的螺栓孔，用于模型切刀的安装；

优选地，所述刀盘面板正面预留螺栓孔，用于刀座的安装，模型刀具安装于刀座上；

优选地，所述刀盘面板可根据需要同时模拟盾构刀盘上不同位置的刀具，如中心刀、正面刀及边缘刀，并改变刀间距。

优选地，模型刀具4可根据试验需求改变模型刀具的倒角、刃角、刃宽等形状参数及模型刀具的硬度。

所述数据监测系统包括转速传感器5、扭矩传感器6、位移传感器和液压油缸的压力传感器，其中，转速传感器5安装在液压驱动马达固定支架侧面，通过转速传感器5监测中心轴承的转速与圈数，扭矩传感器6安装在液压驱动马达与推进中心轴承之间，监测模型刀盘的扭矩。转速传感器5、扭矩传感器6分别通过数据线与数据采集仪相连，数据采集仪通过数据线与数据处理装置相连，上述数据采集仪与数据处理装置均集成在PLC控制系统8中。

加压系统包含气泵7和输气管，输气管连接在试验材料箱2上，能够对试验材料箱2进行加压，气泵7本身带有气压表，可观测气压值。

所述PLC控制系统8对试验设备进行控制，并对试验数据进行采集与记录，试验数据的处理也在PLC系统中完成，该试验数据包括转速、圈数、推进速度、推力和扭矩，圈数由转速传感器记录，推进速度由位移传感器监测，推力由液压油缸的压力传感器得到。

基于上述图1所示的装置，本发明实施例还提供了一种测定盾构刀具在越江海砂层中磨损系数的试验方法，该试验方法的处理流程如图2所示，包括以下步骤：

步骤(1)、测量目标地层的地层参数、粒径或者级配情况；

步骤(2)、根据测得的目标地层的地层参数、粒径或者级配情况，结合室内土工正交试验，确定配置对应材料的组成、颗粒级配、添加剂及含水率，通过不同粒径和含量的石英砂替换组合，配置不同石英含量的试验材料；

步骤(3)、使用与目标地层相同级配、不同石英含量的试验材料进行多组刀具的磨损试验；

步骤(4)、根据多组刀具的磨损试验结果建立不同石英含量下磨损系数的数学计算模型，通过实测地层石英含量，计算确定该石英含量下刀具的磨损系数；

优选地，步骤(1)中所述地层参数包括摩擦角、粘聚力、含水量、压实度，测定方法为在现场取原状土，对原状土进行三轴试验或直剪试验确定其摩擦角、粘聚力，采用比重法测定原状土的含水量，采用挖坑灌砂法测定其密实度，颗粒级配采用筛分析方法测定。

优选地，步骤(2)所述应配置的试验材料包括石英含量为m₁％、m₂％、m₃％等的多组材料，每组材料配置3份，配置试验材料所用的配料包括石灰石砂和石英砂，石灰石砂的石英含量可近似为0，石英砂的石英含量可近似为100％，粘结剂采用凡士林、甘油等(可根据实际参数进行正交试验选择)。颗粒级配、地层参数等依据现场测定的结果进行配比，石英含量的多少通过石灰石砂和石英砂的配置比例进行控制，试验材料配置好后测定试验材料的力学参数，验证试验材料是否与原地层参数相对应。

优选地，步骤(3)所述刀具的磨损试验步骤如下：

1)测定每组试验中所用模型刀具的初始质量、硬度；

2)将模型刀具4安装于刀具磨损试验机的模型刀盘3上，并将试验材料置于试验材料箱2中，每组模型刀具4进行n(n≥3)次m_x％石英含量的试验，每次使用一份试验材料，每次试验结束后将模型刀具4从模型刀盘3上卸下，进行清理，之后对其进行称重，n次试验结束后，记录其初始质量及每次试验后模型刀具4的质量。

所述的一种测定盾构刀具在越江海砂层中磨损系数的试验方法，其特征在于，步骤(4)所述不同石英含量下磨损系数的数学计算模型，通过以下步骤建立：

1)根据模型刀具4的初始质量以及n(n≥3)次刀具磨损试验后，模型刀具4每次磨损试验后的质量以及n(n≥3)次磨损试验后每把模型刀具4各自的切削距离，建立切削距离与磨损质量的关系，得出m_x％石英含量情况下刀具4的磨损系数平均值；

2)依次进行石英含量为m₁％、m₂％、m₃％等的磨损试验，并计算得到各石英含量下刀具4的磨损系数平均值；

3)对各石英含量下的磨损系数平均值与石英含量进行数值拟合，得到磨损系数平均值与石英含量的函数关系。

综上所述，本发明实施例通过利用不同石英含量条件下的试验材料对模型刀具进行刀具磨损试验，先得到每种石英含量下刀具各自磨损系数平均值，再通过每种石英含量下的刀具各自磨损系数平均值拟合出石英含量与刀具磨损系数的关系，可探究越江海砂层中石英含量对刀具磨损的影响，为盾构在越江海砂层中施工的刀具磨损的研究提供了科学依据。

本发明实施例考虑了越江海砂层中石英含量对刀具磨损系数的影响，通过室内试验的方法，可有效的建立越江海砂层不同石英含量的刀具磨损系数计算模型，通过实际地层的石英含量确定磨损系数，能够对盾构在越江海砂层施工过程中刀具的磨损情况进行预测，对施工过程中如何选择盾构开仓和换刀的时机作出指导，并最终达到提高盾构施工的效率与施工安全的目的。本发明试验装置成本低、操作简单，可广泛用于越江海砂层的刀具磨损系数测定。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种测定盾构刀具在越江海砂层中磨损系数的试验装置，其特征在于，包括：试验台架、试验材料箱、模型刀盘、模型刀具、转速传感器、扭矩传感器、气泵和PLC控制系统；

所述试验台架由四根圆柱形立柱、上顶板、限位活动板、底板、液压驱动马达固定支架和底座组成，其中，四根圆柱形立柱用于固定上顶板、限位活动板和底板；

所述试验材料箱固定安装在试验台架的底板上，箱内装入模拟越江海砂层的试验材料；所述模型刀具安装在所述模型刀盘上，气泵通过输气管连接在试验材料箱上，对试验材料箱进行加压，所述转速传感器和所述扭矩传感器分别通过数据线与PLC控制系统相连。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述试验台架的立柱上端为阶梯型，用于上顶板的安装，上顶板中部留有一圆孔，为推进中心轴承的竖向运动提供空间，液压驱动马达固定支架焊接于限位活动板上，底板用于固定试验材料箱。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模型刀盘由中心圆板、刀盘辐条、刀盘环架和可装卸面板组成，其中，中心圆板与刀盘环架通过四根刀盘辐条焊接在一起，四根刀盘辐条成十字形布置，可装卸面板通过螺栓与中心圆板和刀盘环架连接。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述中心圆板背面焊接刀盘连接座，该刀盘连接座与推进中心轴承栓接，正面预留螺栓孔，在该螺栓孔上安装刀座，模型刀具安装于刀座上。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述刀盘辐条两侧沿其长边布置两贯穿的螺栓孔，在该螺栓孔上安装模型切刀。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述刀盘面板能够根据需要同时模拟盾构刀盘上不同位置的刀具，并改变刀间距，所述模型刀具能够根据试验需求改变模型刀具的倒角、刃角、刃宽形状参数及模型刀具的硬度。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转速传感器安装在液压驱动马达固定支架侧面，通过转速传感器监测中心轴承的转速与圈数，扭矩传感器安装在液压驱动马达与推进中心轴承之间，监测模型刀盘的扭矩，位移传感器监测模型刀具的推进速度，液压油缸的压力传感器监测模型刀具的推力，转速传感器、扭矩传感器、位移传感器和液压油缸的压力传感器分别通过数据线与数据采集仪相连，数据采集仪通过数据线与数据处理装置相连，所述数据采集仪与数据处理装置均集成在PLC控制系统中。

8.一种测定盾构刀具在越江海砂层中磨损系数的试验方法，其特征在于，应用于权利要求1至7任一项所述的装置，包括以下步骤：

步骤(1)、测量目标地层的地层参数、粒径或者级配情况；

步骤(2)、根据测得的目标地层的地层参数、粒径或者级配情况，结合室内土工正交试验，确定配置对应材料的组成、颗粒级配、添加剂及含水率，通过不同粒径和含量的石英砂替换组合，配置不同石英含量的试验材料；

步骤(3)、使用与目标地层相同级配、不同石英含量的试验材料进行多组模型刀具的磨损试验；

步骤(4)、根据多组模型刀具的磨损试验结果建立不同石英含量下磨损系数的数学计算模型，通过实测地层石英含量，计算确定该石英含量下刀具的磨损系数。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的地层参数包括摩擦角、粘聚力、含水量、压实度，测定方法为在现场取原状土，对原状土进行三轴试验或直剪试验确定其摩擦角、粘聚力，采用比重法测定原状土的含水量，采用挖坑灌砂法测定其密实度，颗粒级配采用筛分析方法测定。

10.根据权利要求8或者9所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中的所述刀具的磨损试验步骤如下：

1)测定每组试验中所用模型刀具的初始质量、硬度；

2)将模型刀具安装于刀具磨损试验机的模型刀盘上，并将试验材料置于试验材料箱中，每组模型刀具进行n次m_x％石英含量的试验，n≥3，每次使用一份试验材料，每次试验结束后将模型刀具从模型刀盘上卸下，进行清理，之后对模型刀具进行称重，n次试验结束后，记录模型刀具的初始质量及每次试验后模型刀具的质量；

步骤(4)中的所述不同石英含量下磨损系数的数学计算模型，通过以下步骤建立：

1)根据模型刀具4的初始质量以及n次模型刀具磨损试验后，模型刀具每次磨损试验后的质量以及n次磨损试验后每把模型刀具各自的切削距离，建立切削距离与磨损质量的关系，得出m_x％石英含量情况下刀具的磨损系数平均值；

2)依次进行多种石英含量的磨损试验，并计算得到各种石英含量下刀具的磨损系数平均值；

3)对各种石英含量下的磨损系数平均值与石英含量进行数值拟合，得到磨损系数平均值与石英含量的函数关系。

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