CN112683645A - 一种小型探针磨蚀测试平台、测试方法及评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型探针磨蚀测试平台、测试方法及评价方法，解决了现有技术中岩石磨蚀无法测定摩擦力的问题，具有易于操作、能提高测量精度的有益效果，具体方案如下：一种小型探针磨蚀测试平台，包括测试平台架，测试平台架设置可移动岩石基座，可移动岩石基座设置用于夹持岩样的岩样限位仪，可移动岩石基座的上方设置荷载施加机构，荷载施加机构可上下移动，并向测量探针施加荷载，测量探针穿过测试平台架设置，且测试平台在测量探针穿过的位置处设置力传感器以测量测量探针在移动过程中所受的摩擦力。

Description

一种小型探针磨蚀测试平台、测试方法及评价方法

技术领域

本发明涉及土木工程领域，尤其是一种小型探针磨蚀测试平台、测试方法及评价方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

盾构法/TBM由于具有掘进速度快、不受施工场地条件限制、不影响地面建筑与交通设施、施工中无噪音和扰动等优点，在隧道工程中得到了广泛的应用。在盾构/TBM施工过程中，刀具磨损具有非常大的风险，如在砂卵石地层中施工时，刀具磨损严重会导致盾构推进困难甚至被迫开仓换刀，给整个工程的工期、造价带来严重影响，甚至威胁施工人员的安全。因此，可靠地评价盾构穿越地层时的磨蚀性就显得非常重要。

目前国内外量测岩石磨蚀性的方法主要有三种，第一种为NTNU岩石磨蚀值试验，NTNU岩石磨蚀值试验最初是由瑞典工程技术学院工程地质试验室于上世纪60年代提出的一种测试岩石可钻性的试验方法。到了上世界80年代，该方法逐渐被用来测试盾构机在硬岩中的刀具磨损程度。试验时现将磨损的岩石(<1mm)颗粒放到钢盘上，并将其用于盾构机刀具材料相同的钢圈固定，然后以一定的速度旋转钢盘。钢盘旋转1分钟即20圈后，钢圈损失的质量(mg)被定义为钢刀具磨损值AVS，而通过AVS值与刀具表面硬度值SJ可以计算出刀具生命系数CLI。根据AVS的值可以对岩石的磨蚀性进行分级，共分为7级，分别是极低(＜1)、非常低(2-3)、低(4-12)、中等(13-25)、高(26-35)、非常高(36-44)、极高(＞44)。第二种为LCPC磨蚀针试验，其主要起源于法国，它被用来测试压碎的岩石的磨蚀和破碎程度。

由于试样只选用4-6.3mm的岩石颗粒，因此试验前必须将岩石碾碎烘干后进行筛选，将小于4mm和大于6.3mm的颗粒去除，试验时，现将总重量为500g的4-6.3mm的岩石颗粒放入一个直径为93mm的钢桶内，然后将一根由软钢材料制造的螺旋桨以4500rpm的速度在钢桶内旋转5分钟。旋转结束时，旋转桨损失的质量被定义为磨损系数ABR。第三种为Cerchar试验，Cerchar试验是法国的Cerchar研究所1973年提出来的一种测试硬岩磨蚀性指标的试验方法。该试验用一根加热的合金钢针摩擦岩石表面。钢针在岩石表面移动10mm后，其针尖损失的平均直径(以mm的1/100为计量单位)被定义为CERCHAR磨蚀系数，对软岩来说磨蚀系数值＜0.5，对硬岩来说磨蚀系数值大于5.0。

由于Cerchar方法试验装置简单，操作方便，无破坏性，且对试样要求不高等优势，被广泛应用于岩石磨蚀参数指标测量中。然而发明人发现，现有试验方法还存在以下不足：

1.探针在横向移动过程中往往会受到岩石摩擦力的影响，原有装置无法测定该摩擦力的大小。

2.原有试验装置中的岩样基座横向移动装置为手动控制，操作较为不便且无法精准控制基座横向移动距离。

3.在探针划擦岩样过程中往往会有热能的损耗，现有装置无法对其进行测量，不考虑热能的损耗，影响到试验结果的准确性。

4.在探针切割岩样过程中往往会产生一定的声能损耗，该损耗对提高刀具对岩石的切割效率造成极大的阻碍，现有试验装置无法对声能进行测量，进一步影响到试验结果的准确性。

5.现有的岩石磨蚀性评价指标只能从物理磨损状态入手，无法表征不同能量的消耗传递过程。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种小型探针磨蚀测试平台，通过对试验过程中热能、声能耗散能的计算，可保证测量结果更为精确有效。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种小型探针磨蚀测试平台，包括测试平台架，测试平台架设置可移动岩石基座，可移动岩石基座设置用于夹持岩样的岩样限位仪，可移动岩石基座的上方设置荷载施加机构，荷载施加机构可上下移动，并向测量探针施加荷载，测量探针穿过测试平台架设置，在测试平台与测量探针，且测试平台在测量探针穿过的位置处设置力传感器以测量测量探针在移动过程中所受的摩擦力。

上述的测试平台，通过岩样限位仪对岩样进行夹持限位，并通过可移动岩石基座带动岩样限位仪的移动，从而带动岩样的移动，在岩样移动过程中，荷载施加机构对测量探针施加荷载，从而实现测量探针的磨蚀测试，并通过测试平台设置的力传感器测量得到测量探针在移动过程中所受的摩擦力大小。

如上所述的一种小型探针磨蚀测试平台，所述测试平台架设置立柱，通过两侧的立柱支撑上横梁，上横梁上表面设置多根限位柱，多根限位柱相互配合限制所述荷载施加机构的移动轨迹为竖直方向，在荷载施加机构移动过程中，限位柱位于荷载施加机构的周侧，从而限定其移动方向。

如上所述的一种小型探针磨蚀测试平台，所述上横梁下表面设置探针固定器，探针固定器设置开孔，用于对所述测量探针的移动路径进行限制，探针固定器固定于上横梁。

如上所述的一种小型探针磨蚀测试平台，所述测量探针为锥形，底部角度为90°，以此保证磨蚀测量探针的完整程度。

如上所述的一种小型探针磨蚀测试平台，所述上横梁与测量探针穿过处安设力传感器，对测量探针横向移动所受摩擦力进行量测；在测量探针侧部安设温度传感器、声强传感器，从而获得测量探针与岩样相互作用过程中的热能、声能耗散能；

力传感器、温度传感器和声强传感器，分别与控制器单独连接。

如上所述的一种小型探针磨蚀测试平台，所述测试平台架还包括设于所述上横梁下方的下横梁，所述可移动岩石基座可滑动安装于下横梁。

如上所述的一种小型探针磨蚀测试平台，所述可移动岩石基座与直线移动机构连接，直线移动机构与所述的控制器连接，通过直线移动机构带动可移动岩石基座的移动，实现自动控制，保证岩样在测试过程中的移动精度。

如上所述的一种小型探针磨蚀测试平台，所述岩样限位仪为老虎钳；

所述测试平台架设置用于测量可移动岩石基座移动距离的长度测量件，通过长度测量件测量可移动岩石基座的移动距离，进而获得岩样的移动距离。

第二方面，本发明还提供了一种小型探针磨蚀测试方法，采用所述的一种小型探针磨蚀测试平台，其特征在于，包括如下内容：

岩样制取；

通过岩样限位仪夹持岩样，并通过可移动基座支撑岩样限位仪；

荷载施加机构下降，使得测量探针针尖与岩样表面相接触，通过可移动岩石基座的移动，使得测量探针在岩样表面以设定的位移速度水平移动预定距离；

测量磨损后测量探针针尖的直径，并得出岩样的磨蚀性等级。

第三方面，本发明还提供了一种小型探针磨蚀评价方法，包括如下内容：

对至少一种岩石进行取样，获得相应的岩样；

选取多个相同的测量探针；

通过所述的一种小型探针磨蚀测试平台获得测量探针针对不同岩样的实际磨损直径；

通过力传感器测量滚动力，通过滚动力作用距离和滚动力获得总功,通过温度传感器和声强传感器获得热能和声音耗散能，通过总功、热能和声音耗散能获得测量探针磨蚀岩样所做有用功，并通过测量探针磨蚀岩样所做有用功和测量探针的实际磨损直径定义岩石磨蚀系数；

比较不同岩样的岩石磨蚀系数，即可评价多种岩样的耐磨性。

上述本发明的有益效果如下：

1)本发明通过力传感器、温度传感器、声能传感器可测得测量探针磨削岩样过程中所受摩擦力、测量探针与岩样相互作用过程中所发生的热能及声能耗散量，可表征试验过程中不同能量的消耗传递过程，以此模拟了TBM/盾构刀具在实际岩石切削过程中能量传递过程，保证了测试结果的准确性。

2)本发明通过限位柱的设置，保证荷载施加机构的直线移动；通过探针固定器的设置，对测量探针的移动路径进行限制；通过直线移动机构来控制可移动岩石基座的左右移动，较原始手动型测量仪器，其测量结果更为精确有效。

3)本发明测量方法简单，易于操作，对岩样要求不高。

4)本发明提出了新的关于岩石磨蚀性的评价指标，该评价指标从能量角度入手，考虑了探针磨蚀岩石过程中能量的不同传递过程，较原始CIA指标其对岩石耐磨性评价更为精确与贴合实际。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为一种小型探针磨蚀测试平台的主视图；

图2为一种小型探针磨蚀测试平台的俯视图；

图3为一种小型探针磨蚀测试平台的左视图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。

其中：1.老虎钳；2.螺旋杆；3.刻度尺；4.测量探针；5.探针固定器；6.荷载施加机构；7.力传感器；8.温度传感器；9.可移动岩石基座；10.伺服控制器；11.支撑架；12.限位柱；13.测试平台架梁；14.伺服电机；15.岩样限位仪；16计算机；17.控制单元。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在磨蚀测试结果准确度较低的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种小型探针磨蚀测试平台。

本发明的一种典型的实施方式中，参考图1所示，一种小型探针磨蚀测试平台，包括测试平台架13，测试平台架13设置可移动岩石基座9，可移动岩石基座设置岩样限位仪，岩样限位仪用于对岩样进行夹持；可移动岩石基座的上方设置荷载施加机构6，荷载施加机构6或荷载施加机构的施力端可上下移动实现升降运动，并向测量探针施加荷载，测量探针穿过测试平台架设置，在荷载施加机构的作用下，可带动测量探针沿着测试平台移动。

测试平台架设置立柱，通过两侧的立柱支撑上横梁，测试平台架设置荷载施加机构限位柱12限制荷载施加机构的移动轨迹为竖直方向，具体在上横梁设置多根限位柱如3个，相邻两限位柱的夹角为180°，且在一些具体示例中，每一根限位柱的高度可为100mm。

其中，荷载施加机构为常用的现有静态荷载施加机构，可对测量探针施加设定大小如70KN的竖直方向作用力，荷载施加机构的施力端在下降过程中可与测量探针的顶端接触，并推动测量探针向下移动直至与岩样接触。

测量探针为锥形，其底部角度为90°，以此保证磨蚀探针的完整程度，设于岩样上方，测量探针4被测量探针固定器5所固定，探针固定器为环形，其通过螺孔固定在上横梁的下表面，且探针固定器设置用于测量探针穿过的开孔。

测量探针为钢制件，测量探针选用采用HRC50±1的商业钢制成，以保证其初始硬度符合试验测试要求，探针在采用热处理后，采用冷却剂进行冷却以保证其具有足够强度与刚度。

具体地，探针固定器固定于上横梁开孔的下方，探针固定器为环形件，顶部与上横梁固定连接。

上横梁与测量探针4连接处安设力传感器7，对探针横向移动所受摩擦力进行量测；在测量探针4侧部安设温度传感器8、声强传感器，测量探针磨蚀测量过程中所耗散的声能与热能；力传感器7、温度传感器8、声强传感器，分别通过无线电传输装置与控制器连接，控制器可为计算机或其他类型的控制器，可在计算机16中实时记录与观测数据；

容易理解的是，计算机、伺服电机和伺服控制器构成控制单元17，伺服控制器为伺服电机的控制器。

测试平台架在上横梁的下方设置下横梁，上横梁、下横梁分别与侧部的立柱通过螺栓固定连接，下岩样在岩样限位仪15的作用下被固定夹持，保证岩石不会发生较大移动从而影响测试结果的准确性。

可移动岩石基座通过下横梁支撑，可移动岩石基座支撑岩样限位仪，具体地，岩样限位仪为老虎钳1，直线移动机构与可移动岩石基座连接以带动岩样的移动，在一些示例中，直线移动机构包括螺旋杆2，螺旋杆与伺服控制器10连接，伺服控制器与伺服电机14连接，且伺服控制器与计算机16连接，伺服电机可精确控制岩石基座移动距离，从而保证控制操作的精细化，螺旋杆设置螺母，螺母与可移动岩石基座9固定，这样通过螺旋杆的旋转，通过螺母带动可移动岩石基座的左右移动。

进一步地，伺服控制器10和伺服电机14可通过支撑架11进行支撑。

需要说明的是，老虎钳1的夹钳采用橡胶等柔性材料，可对岩样位移进行有效限制，确保探针与岩样发生相对运动时不发生变形。

进一步地，长度测量件为刻度尺，刻度尺3固定于测试平台架，可对基座移动距离进行测量，进而获得岩样横向移动距离，可移动岩石基座最小移动距离为10mm，每次测量完成后可移动岩石基座移动距离为10mm，这是根据国际上岩石磨蚀性指标是以已知莫氏硬度的物体划擦10mm岩石表面确定的。

一些示例中，岩样为圆柱体标准试样，其直径为(50±1)mm，高度为(40±1)mm。

此外，为了进行测量，测试装置还包括显微镜，具体可为100倍高清数码显微镜，可测定探针磨损量及岩样的磨损量。

一种小型探针磨蚀测试方法，使用上述多功能小型探针磨蚀测试平台，包括如下步骤：

(1)岩样制取：通过取芯机、自动岩石切割机、双端面磨石机将原始岩样经过钻、切、磨3道工艺加工成直径为(50±1)mm、高度为(40±1)mm试样，试样上下端面打磨光滑平整。

(2)试验前可通过100倍高清数码显微镜确保测量探针锥度是否为90°，测量探针针尖是否保持较好完整度。

(3)打开控制单元，选用合适的试验参数并使得伺服电机以10mm/min速度空转5mm，检验伺服电机与伺服控制器是否正常运转，检查各传感器数据测量是否符合预期目标，若上述测量均满足要求，则进入下一步，否则停机检查。

(4)将测量探针放入测量探针固定器中；再将试验岩样放入老虎钳内部空间中，调节老虎钳夹紧岩样使其不发生晃动，缓缓降落荷载施加机构，使测量探针针尖与岩样表面相接触，此时操作应保持缓慢精细，防止针尖与试样表面接触过猛而造成针尖损坏而对测量结果造成影响。

(5)通过计算机，设置相关参数使得测量探针在岩样表面以设定的位移速度水平移动预定距离。

(6)将试验完成后的测量探针取下放在100倍高清显微镜下观察，测量磨损后测量探针针尖的直径，并旋转测量探针直径设定角度2次，一共记录三次测量探针针尖的数据。

(7)记录测量探针磨损直径d＝L×a，其中d为测量探针磨损直径实际值，μm；L为测量探针磨损直径测量值，μm；α为显微镜标定系数，将测量得到的岩石磨蚀值与磨蚀性等级表相对比，可得出待测岩样的磨蚀性等级。

(8)在计算机上读取力传感器、温度传感器和声音传感器的相关数据。

一种小型探针磨蚀评价方法，可通过新定义的探针磨蚀系数β进行表征：

在探针磨蚀岩石过程中，其能量损失主要为以下三方面，第一为测量探针磨蚀岩石所做的有用功W₁；第二为岩石磨蚀过程中产生的声音耗散能W₂；第三为岩石磨蚀过程中产生的热能W₃。即电机施加的总功W＝W₁+W₂+W₃，电机所做的功由功率与时间的乘积计算可得，即W＝F×L₁，其中F为由力传感器测得的滚动力，N，L₁为滚动力作用距离，m。其中探针磨蚀岩石所做有用功为W₁＝W-W₂-W₃，定义岩石磨蚀系数

其中d为探针磨损直径，可对岩样磨蚀性进行表征。

假设要评价3种不同类型的岩石的对刀具的磨损性，具体步骤如下:

步骤一:按上述探针磨蚀测试步骤1对3种不同类型岩石进行取样，每种岩石取3个标准岩样并进行编号，分别标记为A1；A2；A3；B1；B2；B3；C1；C2；C3。

步骤二:选取9个同样的测量探针，与岩样分别对应，并对测量探针编号a11、a22；a33、b11、b22、b33、c11、c22、c33。

步骤三:将岩样A1固定于岩样限位仪内进行固定，将探针a11安装在探针固定器上。

步骤四：按上述试验步骤(2)-(7)可得出测量探针实际磨损直径。

步骤五：通过无线电传输装置在计算机上读取力传感器与温度传感器、声强传感器相关数据，其中可得到力传感器测量滚动力F，再通过刻度尺得到滚动力作用距离L₁，即可求得伺服电机所做总功W＝F×L₁，声音耗散能W₂、热能W₃可直接从计算机读取相应传感器传输的数据得到。最终求得探针磨蚀岩石所做有用功W₁＝W-W₂-W₃。并且定义岩石磨蚀系数

其中d为探针磨损直径。

步骤六：重复步骤三、四、五，测试时更换同一类型3个不同的岩样与测试探针β₁₁、β₁₂、β₁₃，计算同一类型3个不同岩样的平均磨蚀系数值β₁。

步骤七：重复步骤三、四、五、六，可计算得到3个不同类型的岩样的平均磨蚀系数值β₁、β₂、β₃。

步骤八：比较β₁、β₂、β₃之间的大小，即可评价3种岩样的耐磨性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种小型探针磨蚀测试平台，其特征在于，包括测试平台架，测试平台架设置可移动岩石基座，可移动岩石基座设置用于夹持岩样的岩样限位仪，可移动岩石基座的上方设置荷载施加机构，荷载施加机构可上下移动，并向测量探针施加荷载，测量探针穿过测试平台架设置，且测试平台在测量探针穿过的位置处设置力传感器以测量测量探针在移动过程中所受的摩擦力。

2.根据权利要求1所述的一种小型探针磨蚀测试平台，其特征在于，所述测试平台架设置立柱，通过两侧的立柱支撑上横梁，上横梁上表面设置多根限位柱，多根限位柱相互配合限制所述荷载施加机构的移动轨迹为竖直方向。

3.根据权利要求2所述的一种小型探针磨蚀测试平台，其特征在于，所述上横梁下表面设置探针固定器，探针固定器设置开孔，用于对所述测量探针的移动路径进行限制。

4.根据权利要求1所述的一种小型探针磨蚀测试平台，其特征在于，所述测量探针为锥形。

5.根据权利要求2所述的一种小型探针磨蚀测试平台，其特征在于，所述上横梁与测量探针穿过处安设所述的力传感器，对测量探针横向移动所受摩擦力进行量测；在测量探针侧部安设温度传感器、声强传感器；

力传感器、温度传感器和声强传感器，分别与控制器单独连接。

6.根据权利要求2所述的一种小型探针磨蚀测试平台，其特征在于，所述测试平台架还包括设于所述上横梁下方的下横梁，所述可移动岩石基座可滑动安装于下横梁。

7.根据权利要求5所述的一种小型探针磨蚀测试平台，其特征在于，所述可移动岩石基座与直线移动机构连接，直线移动机构与所述的控制器连接。

8.根据权利要求1所述的一种小型探针磨蚀测试平台，其特征在于，所述岩样限位仪为老虎钳；

所述测试平台架设置用于测量可移动岩石基座移动距离的长度测量件。

9.一种小型探针磨蚀测试方法，采用权利要求1-8中任一项所述的一种小型探针磨蚀测试平台，其特征在于，包括如下内容：

岩样制取；

通过岩样限位仪夹持岩样，并通过可移动基座支撑岩样限位仪；

荷载施加机构下降，使得测量探针针尖与岩样表面相接触，通过可移动岩石基座的移动，使得测量探针在岩样表面以设定的位移速度水平移动预定距离；

测量磨损后测量探针针尖的直径，并得出岩样的磨蚀性等级。

10.一种小型探针磨蚀评价方法，其特征在于，包括如下内容：

对至少一种岩石进行取样，获得相应的岩样；

选取多个相同的测量探针；

通过权利要求5所述的一种小型探针磨蚀测试平台获得测量探针针对不同岩样的实际磨损直径；

通过力传感器测量滚动力，通过滚动力作用距离和滚动力获得总功,通过温度传感器和声强传感器获得热能和声音耗散能，通过总功、热能和声音耗散能获得测量探针磨蚀岩样所做有用功，并通过测量探针磨蚀岩样所做有用功和测量探针的实际磨损直径定义岩石磨蚀系数；

比较不同岩样的岩石磨蚀系数，即可评价多种岩样的耐磨性。

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