CN113418814B - 一种可模拟不同滑移率的刀圈试样-岩石对磨试验方法 - Google Patents

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Abstract

一种可模拟不同滑移率的刀圈试样‑岩石对磨试验方法，包括如下步骤：步骤0：布置刀圈试样‑岩石对磨试验装置，在刀座设置调节螺杆，通过旋动调节螺杆，使得摩擦盘与刀圈组件接触并逐渐抵紧；步骤1：开展刀圈试样‑岩石对磨预实验，拟合获得不同滑移率K与调节螺杆的预紧力f的函数关系式：步骤2：根据步骤1所获滑移率K与调节螺杆预紧力f的函数关系式，通过合理向调节螺杆施加给定的预紧力f0，从而保证刀圈试样‑岩石对磨试验时刀圈组件的滑移率为给定值K0：开展给定滑移率K0下的刀圈试样‑岩石对磨试验；步骤3：试验结果分析。本发明可以模拟不同滑移率的滚刀切削工况，有助于帮助业界提高滚刀试样摩擦磨损寿命的预测精度。

Description

一种可模拟不同滑移率的刀圈试样-岩石对磨试验方法
技术领域
本发明属于机械工程、岩土工程和隧道工程的交叉领域，涉及一种刀圈试样-岩石对磨试验方法，具体涉及一种可模拟不同滑移率的刀圈试样-岩石对磨试验方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着我国高铁和城市地铁建设的蓬勃发展，隧道工程在基础建设中的比重越来越高，发挥的作用也越来越重要。作为全断面岩石隧道掘进机(以下简称TBM)的唯一破岩刀具，盘形滚刀(以下简称滚刀)在TBM刀盘推力与扭矩作用下，持续绕刀盘主轴作公转运动和绕滚刀刀轴作自转运动，期间通过向掌子面岩层施加垂向挤压应力和侧向剪切应力，从而达到破碎剥离岩土的作用。目前，学术界在研究TBM滚刀-岩石相互作用机理时，常将滚刀上述回转滚压破岩过程简化为纯滚动过程。而实际上，滚刀在摩擦力的驱动下沿刀轴自转，该过程还可能存在滑动摩擦现象。尤其是当掌子面岩层中出现软岩或土壤时，会产生相对较为明显的滚刀滑移现象，进一步导致刀圈迅速磨损失效；严重时，由于刀岩之间产生的摩擦驱动力不足以克服滚刀启动扭矩时，会造成滚刀堵转(也即滑移率无穷大)，进而引发刀圈出现更为严重的弦磨失效。通过文献调研可知，滚刀破岩过程中的滑移率(即滑动距离与总滚动距离的比值)不仅受地质条件(如掌子面岩土层物理力学特性)影响外，还与滚刀启动扭矩、刀盘转速、滚刀切深、滚刀几何轮廓尺寸、刀刃截面宏微观轮廓形貌、含水率等因素有关。此外，滚刀刃底突然脱空、轴承失效卡死等现象，也可能造成滚刀回转滚压破岩时滑移率发生波动，甚至导致滚刀堵转。
综上来看，滚刀在实际滚压破岩过程中，因地质条件和切削工况的复杂多变性，滚刀滑移率不可避免地存在一定波动，甚至发生堵转。在研究TBM滚刀-岩石相互作用机理，尤其是研究TBM滚刀摩擦磨损机制时，将滚刀上述回转滚压破岩过程简化为纯滚动过程，显然会引入较大的误差。此外，有针对性地研究不同滑移率下TBM滚刀刀圈的磨损失效行为，有助于帮助业界提高滚刀实际切削工况下滚刀试样摩擦磨损寿命。
目前，尚缺少一种可模拟不同滑移率的TBM滚刀-岩石对磨试验方法。
发明内容
为了克服现有技术的上述局限性，本发明提供了一种可模拟不同滑移率的刀圈试样-岩石对磨试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤0：布置刀圈试样-岩石对磨试验装置，其包括刀圈试样夹持工装；
刀圈试样夹持工装，包括连接座、刀座、刀圈组件、刀轴、制动组件，其中：
连接座下方固接有刀座，刀座为分体式结构，包括上刀座、下刀座；
下刀座下端开设有凹槽；刀圈组件包括刀圈试样、环形夹持垫块；
刀轴周向活动地安装于刀座上；从刀轴的中间向两端依次为刀圈试样、环形夹持垫块、轴承、套筒、端盖；刀圈试样和环形夹持垫块共轴且轴向固定地安装于刀轴上，环形夹持垫块抵靠在刀圈试样的侧面；刀圈试样设置于凹槽内，且刀圈试样的下边缘通过所述凹槽外露于下刀座下端，刀圈试样通过键配合的形式共轴地安装于刀轴上，可随刀轴相对于下刀座周向活动地转动；
制动组件包括导向支撑座、夹板、调节螺杆，其中：
导向支撑座固设与刀座内部；导向支撑座沿刀轴的轴向设置有导向槽，导向槽的两端设置有限位凸台；夹板上固设有夹板凸块、摩擦盘，并在夹板上开设有导向孔、螺纹孔；
一对夹板关于刀圈组件左右对称地布设；夹板通过夹板凸块设置于导向槽上；夹板可沿着导向槽并在限位凸台之间做轴向滑动；摩擦盘位于夹板上靠近刀圈试样的一侧；夹板通过导向孔与刀轴构成间隙配合；调节螺杆上开设有旋向相反的两段外螺纹；
当旋动调节螺杆时，与调节螺杆构成螺纹传动配合的两块夹板同时靠近或同时远离刀圈组件；
旋动调节螺杆，使得摩擦盘与刀圈组件接触并抵紧，调节螺杆持续施加预紧力f；
步骤1：开展刀圈试样-岩石对磨预实验，拟合获得不同滑移率K与调节螺杆的预紧力f的函数关系式：
步骤2：根据步骤1所获滑移率K与调节螺杆预紧力f的函数关系式，通过合理向调节螺杆施加给定的预紧力f0，从而保证刀圈试样-岩石对磨试验时刀圈组件的滑移率为给定值K0：开展给定滑移率K0下的刀圈试样-岩石对磨试验；
步骤3：试验结果分析。
作为优先，考虑难以直接调定获得调节螺杆的预紧力f，需要通过扭力扳手等工具调定获得调节螺杆的扭矩T，来间接保证调节螺杆的预紧力f，因此，在步骤1中，包括如下分步：
分步1-1：向调节螺杆施加不同的扭矩T，以确保相应施加不同的预紧力f；
扭矩T与预紧力f近似满足下式：
f＝T/(0.2d) (1)
式中，d为调节螺杆的螺纹公称直径；
分步1-2：根据式(1)，开展给定预紧力f0下的刀圈试样-岩石对磨预实验，采用式(2)计算获得给定滑移率K0：
K0＝ω1/ω0 (2)
式中，ω1为刀圈试样的实测角速度；ω0为刀圈试样的理论角速度；
分步1-3：重复执行分步1-2，获得不同预紧力f下的滑移率K，进一步拟合获得不同滑移率f与K的函数关系式；
更为优选，在分步1-2中，刀圈试样的实测角速度ω1采用高速摄像仪观测获得；
更为优选，分步1-2中，在刀圈试样的一侧沿其周向边缘粘贴有长短相间且均布的刻度线；
更为优选，分步1-2中，高速摄像仪的镜头正对刀圈试样的一侧设置。
更为优选，当刀圈试样-岩石对磨试验装置尺寸较大，如将现有标准的17英寸TBM滚刀线切割试验台作为刀圈试样-岩石对磨试验装置，则由于尺寸限制不大，可在刀座中嵌入设置与刀轴动力连接的动态扭矩传感器，来测量获得分步1-2中刀圈试样的实测角速度ω1；
相应地，作为优先，在步骤2中，包括如下分步：
分步2-1：为了保证刀圈试样-岩石对磨试验时刀圈组件的滑移率为给定值K0，利用分步1-3所得到的f与K的函数关系式，联合式(1)，计算开展刀圈试样-岩石对磨试验时调节螺杆所需扭矩的给定值T0；
分步2-2：向调节螺杆施加给定扭矩T0，开展给定滑移率K0下的刀圈试样-岩石对磨试验；
作为优先，步骤3包括如下分步：
分步3-1：称量法测量刀圈试样对磨后的质量，并与没有进行试验时的质量对比，测量刀圈试样的磨损质量；
分步3-2：对刀圈试样的刃底进行显微观测；
分步3-3：搜集岩碴，并进行岩碴块度分析。
相对于现有技术，本装置的有益之处在于：本发明利用简单的螺栓调节原理，可以模拟不同滑移率的滚刀切削工况，为针对性地研究不同滑移率下刀圈试样的磨损失效行为提供了研究方法，有助于帮助业界提高滚刀试样摩擦磨损寿命的预测精度，使得TBM滚刀-岩石对磨试验所获得的试验模拟结果更加具有应用价值和现实意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，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附图。
图1为一种刀圈试样夹持工装总装配图。
图2为一种刀圈试样夹持工装三维爆炸图(不包括上刀座)。
图3为一种刀圈试样夹持工装沿中心轴竖直方向的三维剖视图(不包括上刀座)。
图4为一种刀圈试样夹持工装的制动组件的三维结构示意图。
图5为一种刀圈试样夹持工装的夹板三维结构示意图。
图6为一种刀圈试样夹持工装环形夹持垫块的三维结构图。
图7为一种刀圈试样-岩石对磨试验装置的安装示意图。
图8为一种刀圈试样-岩石对磨试验装置的标有刻度的刀圈试样主视图。
图9为本发明一种可模拟不同滑移率的刀圈试样-岩石对磨试验方法的流程图
主要元件符号说明：
符号 元件名称 符号 元件名称
1 刀圈试样夹持工装 1511 导向槽
11 连接座 1512 限位凸台
12 刀座 152 夹板
121 上刀座 1521 夹板凸块
122 下刀座 1522 摩擦盘
13 刀圈组件 1523 导向孔
131 刀圈试样 153 调节螺杆
132 环形夹持垫块 2 岩石夹持座
14 刀轴 3 动力及执行机构
15 制动组件 4 工件夹持台
151 导向支撑座
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
在本发明的各实施例中，为了便于描述而非限制本发明，本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的术语“连接”并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
在介绍本发明之前，先介绍用于实施运用本发明的一种可能存在的硬件装置(引述为本装置)的形式。
本装置具体实施例一：
如图1和图2所示，本装置为一种刀圈试样-岩石对磨试验装置，包括刀圈试样夹持工装；
刀圈试样夹持工装，包括连接座(11)、刀座(12)、刀圈组件(13)、刀轴(14)、制动组件(15)，其特征在于：
连接座(11)下方固接有刀座(12)；
作为优选，为了便于拆卸刀轴(14)和更换刀圈组件(13)，节约试验准备时间，刀座(12)为分体式结构，包括上刀座(121)、下刀座(122)；上刀座(121)与下刀座(122)通过螺纹紧固件紧固，并将刀轴(14)限制于刀座(12)内。
下刀座(122)下端开设有凹槽；刀圈组件(13)包括刀圈试样(131)、环形夹持垫块(132)；
刀轴(14)周向活动地安装于刀座(12)上；如图3所示，从刀轴(14)的中间向两端依次为刀圈试样(131)、环形夹持垫块(132)、轴承、套筒、端盖；刀圈试样(131)和环形夹持垫块(132)共轴且轴向固定地安装于刀轴(14)上，环形夹持垫块(132)抵靠在刀圈试样(131)的侧面；刀圈试样(131)设置于凹槽内，且刀圈试样(131)的下边缘通过所述凹槽外露于下刀座(122)下端，刀圈试样(131)通过键配合的形式共轴地安装于刀轴(14)上，可随刀轴(14)相对于下刀座(122)周向活动地转动。
如图2和图4所示，制动组件(15)包括导向支撑座(151)、夹板(152)、调节螺杆(153)，其中：
导向支撑座(151)固设与刀座(12)内部；导向支撑座(151)沿刀轴(14)的轴向设置有导向槽(1511)，导向槽(1511)的两端设置有限位凸台(1512)；如图5所示，夹板(152)上固设有夹板凸块(1521)、摩擦盘(1522)，并在夹板(152)上开设有导向孔(1523)、螺纹孔；
一对夹板(152)关于刀圈组件(13)左右对称地布设；夹板(152)通过夹板凸块(1521)设置于导向槽(1511)上；夹板(152)可沿着导向槽(1511)并在限位凸台(1512)之间做轴向滑动；摩擦盘(1522)位于夹板(152)上靠近刀圈试样(131)的一侧；夹板(152)通过导向孔(1523)与刀轴(14)构成间隙配合；调节螺杆(153)上开设有旋向相反的两段外螺纹，也即在调节螺杆(153)上，与一对夹板(152)分别构成螺纹传动配合的两段外螺纹的旋向相反。
当旋动调节螺杆(153)时，由于两端螺纹旋向相反，使得与调节螺杆(153)构成螺纹传动配合的两块夹板(152)同时靠近或同时远离刀圈组件(13)，从而达到调节两块夹板(152)之间的相对距离的目的。随着一对夹板(152)相向靠近，摩擦盘(1522)与刀圈组件(13)接触并逐渐抵紧；从摩擦盘(1522)与刀圈组件(13)开始接触至抵紧的过程中，旋动调节螺杆(153)，会对调节螺杆(153)持续施加预紧力f，并通过制动组件(15)将调节螺杆(153)的预紧力f进一步转化为摩擦盘(1522)对刀圈组件(13)的正压力，从而达到向刀圈试样(131)施加不同摩擦阻力的目的。
作为优选，摩擦盘(1522)为环状体，摩擦盘(1522)与导向孔(1523)共轴。
作为优选，为了增加刀圈试样(131)的刚度，并防止刀圈试样(131)在试验过程中轴向窜动，一对环形夹持垫块(132)对称地设置在刀圈试样(131)的左右两侧；如图6所示，环形夹持垫块(132)的外径小于刀圈试样(131)的外径，防止刀圈试样(131)的边缘卷曲。
作为优选，调节螺杆(153)与夹板(152)实现螺纹自锁，也即调节螺杆(153)的螺纹升角不大于螺纹副的当量摩擦角。
作为优选，摩擦盘(1522)和刀圈组件(13)的配合面的硬度不小于45HRC。
如图7所示，一种刀圈试样-岩石对磨试验装置，包括刀圈试样夹持工装(1)、岩石夹持座(2)、动力及执行机构(3)、工件夹持台(4)，其特征在于：
刀圈试样夹持工装(1)通过连接座(11)与动力及执行机构(3)动力连接；
动力及执行机构(3)做往复直线运动，岩石夹持座(2)相对工件夹持台(4)做周期性水平进给运动，使得刀圈试样(131)可按给定切深滚压岩石试样表面。
刀圈试样夹持工装(1)的下端设置有岩石夹持座(2)；
岩石夹持座(2)内固定夹持有表面光滑平整的长条状岩石试样，且岩石夹持座(2)活动地固定于工件夹持台(4)表面。
作为优选，为了节约本装置的研制成本，同时合理利用闲置废旧机加工设备，动力及执行机构(3)为刨床刨头；连接座(11)与刨头周向活动地铰接。
更为优选，为了进一步节约装置研制成本，岩石夹持座(2)为台虎钳，其上固定有岩石试样。
一种刀圈试样-岩石对磨试验装置，还包括测速组件，用于获得刀圈试样(131)的实测角速度ω1；更为具体地，测速组件实际可采用如下两种方案实现：
方案1：测速组件包括用于实时在线观测刀圈试样运动状态的摄像装置；此外，为了更好地利用摄像装置测算刀圈试样的转动圈数，如图8所示，在刀圈试样的一侧沿其周向边缘粘贴有长短相间且均布的刻度线；两个相邻的长刻度线的夹角为10°；在长条刻度线中任意挑选一根标志线进行加粗；摄像装置架设在工件夹持台正对面；本例中，采用高速摄像仪作为摄像装置，采集频率为每秒500帧。
方案2：测速组件选用动态扭矩传感器，可用于测量刀圈试样的转速和扭矩。
如图9所示，一种与上述刀圈试样-岩石对磨试验装置配合使用的一种可模拟不同滑移率的刀圈试样-岩石对磨试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤0(预备步骤)：布置刀圈试样-岩石对磨试验装置，在刀座(12)设置调节螺杆(153)，通过旋动调节螺杆(153)，使得摩擦盘(1522)与刀圈组件(13)接触并逐渐抵紧；这样一来，将调节螺杆(153)的预紧力f0转化为摩擦盘(1522)对刀圈组件(13)的正压力，从而产生摩擦制动效果。更为具体地，可按照图7所示布置刀圈试样-岩石对磨试验装置，并在工作夹持台(4)正对面架设所述高速摄像仪；获取与刀圈试样(131)摩擦磨损性能相关的信息，包括但不限于安装尺寸参数(安装半径)、切削深度、刀圈试样的材质成分和物理力学性能参数(密度、泊松比、弹性模量、冲击韧性、屈服强度、硬度、表面粗糙度)、岩石的物理力学性能参数(密度、泊松比、弹性模量)；
步骤1：开展刀圈试样-岩石对磨预实验，拟合获得不同滑移率K与调节螺杆(153)的预紧力f的函数关系式：
步骤2：根据步骤1所获滑移率K与调节螺杆(153)预紧力f的函数关系式，通过合理向调节螺杆(153)施加给定的预紧力f0，从而保证刀圈试样-岩石对磨试验时刀圈组件(13)的滑移率为给定值K0：开展给定滑移率K0下的刀圈试样-岩石对磨试验；
步骤3：试验结果分析。
作为优先，考虑难以直接调定获得调节螺杆(153)的预紧力f，需要通过扭力扳手等工具调定获得调节螺杆(153)的扭矩T，来间接保证调节螺杆(153)的预紧力f，因此，在步骤1中，包括如下分步：
分步1-1：向调节螺杆(153)施加不同的扭矩T，以确保相应施加不同的预紧力f；扭矩T与预紧力f近似满足下式：
f＝T/(0.2d) (1)
式中，d为调节螺杆(153)的螺纹公称直径；
分步1-2：根据式(1)，开展给定预紧力f0下的刀圈试样-岩石对磨预实验，采用式(2)计算获得给定滑移率K0：
K0＝ω1/ω0 (2)
式中，ω1为刀圈试样(131)的实测角速度；ω0为刀圈试样(131)的理论角速度；
分步1-3：重复执行分步1-2，获得不同预紧力f下的滑移率K，进一步拟合获得不同滑移率f与K的函数关系式；
更为优选，当刀圈试样-岩石对磨试验装置尺寸较小，如采用缩尺比例(如与17英寸TBM滚刀相比的比例为1:8，1:3等)制成如图1至7所示刀圈试样-岩石对磨试验装置时，由于尺寸限制较大，无法在刀座(12)中额外嵌入设置转速传感器，故在分步1-2中，刀圈试样(131)的实测角速度ω1只能采用高速摄像仪观测获得；
更为优选，分步1-2中，在刀圈试样的一侧沿其周向边缘粘贴有长短相间且均布的刻度线；
更为优选，分步1-2中，高速摄像仪的镜头正对刀圈试样的一侧设置。
更为优选，当刀圈试样-岩石对磨试验装置尺寸较大，如将现有标准的17英寸TBM滚刀线切割试验台作为刀圈试样-岩石对磨试验装置，则由于尺寸限制不大，可在刀座(12)中嵌入设置与刀轴动力连接的动态扭矩传感器，来测量获得分步1-2中刀圈试样(131)的实测角速度ω1；
相应地，作为优先，在步骤2中，包括如下分步：
分步2-1：为了保证刀圈试样-岩石对磨试验时刀圈组件(13)的滑移率为给定值K0，利用分步1-3所得到的f与K的函数关系式，联合式(1)，计算开展刀圈试样-岩石对磨试验时调节螺杆(153)所需扭矩的给定值T0；
分步2-2：向调节螺杆(153)施加给定扭矩T0，开展给定滑移率K0下的刀圈试样-岩石对磨试验；
作为优先，步骤3包括如下分步：
分步3-1：称量法测量刀圈试样(131)对磨后的质量，并与没有进行试验时的质量对比，测量刀圈试样(131)的磨损质量；
分步3-2：对刀圈试样(131)的刃底进行显微观测；
分步3-3：搜集岩碴，并进行岩碴块度分析。
相对于现有技术，本发明的有益之处在于：
(1)与其他现有的TBM滚刀-岩石对磨试验方法相比，本发明考虑了真实工况中刀具的滑移率模拟，与工程实际相似度高，操作简单，实施成本低；
(2)本发明利用简单的螺栓调节原理，可以实现模拟不同滑移率的切削工况，为针对性地研究不同滑移率下TBM刀圈试样的磨损失效行为提供了研究装置和方法，有助于帮助业界提高滚刀实际切削工况下滚刀摩擦磨损寿命，所得到的试验模拟结果更加具有应用价值和现实意义。

Claims (7)

1.一种可模拟不同滑移率的刀圈试样-岩石对磨试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤0：布置刀圈试样-岩石对磨试验装置，其包括刀圈试样夹持工装；
刀圈试样夹持工装，包括连接座(11)、刀座(12)、刀圈组件(13)、刀轴(14)、制动组件(15)，其中：
连接座(11)下方固接有刀座(12)，刀座(12)为分体式结构，包括上刀座(121)、下刀座(122)；
下刀座(122)下端开设有凹槽；刀圈组件(13)包括刀圈试样(131)、环形夹持垫块(132)；
刀轴(14)周向活动地安装于刀座(12)上；从刀轴(14)的中间向两端依次为刀圈试样(131)、环形夹持垫块(132)、轴承、套筒、端盖；刀圈试样(131)和环形夹持垫块(132)共轴且轴向固定地安装于刀轴(14)上，环形夹持垫块(132)抵靠在刀圈试样(131)的侧面；刀圈试样(131)设置于凹槽内，且刀圈试样(131)的下边缘通过所述凹槽外露于下刀座(122)下端，刀圈试样(131)通过键配合的形式共轴地安装于刀轴(14)上，可随刀轴(14)相对于下刀座(122)周向活动地转动；
制动组件(15)包括导向支撑座(151)、夹板(152)、调节螺杆(153)，其中：
导向支撑座(151)固设与刀座(12)内部；导向支撑座(151)沿刀轴(14)的轴向设置有导向槽(1511)，导向槽(1511)的两端设置有限位凸台(1512)；夹板(152)上固设有夹板凸块(1521)、摩擦盘(1522)，并在夹板(152)上开设有导向孔(1523)、螺纹孔；
一对夹板(152)关于刀圈组件(13)左右对称地布设；夹板(152)通过夹板凸块(1521)设置于导向槽(1511)上；夹板(152)可沿着导向槽(1511)并在限位凸台(1512)之间做轴向滑动；摩擦盘(1522)位于夹板(152)上靠近刀圈试样(131)的一侧；夹板(152)通过导向孔(1523)与刀轴(14)构成间隙配合；调节螺杆(153)上开设有旋向相反的两段外螺纹；
当旋动调节螺杆(153)时，与调节螺杆(153)构成螺纹传动配合的两块夹板(152)同时靠近或同时远离刀圈组件(13)；
旋动调节螺杆(153)，使得摩擦盘(1522)与刀圈组件(13)接触并抵紧，调节螺杆(153)持续施加预紧力f；
步骤1：开展刀圈试样-岩石对磨预实验，拟合获得不同滑移率K与调节螺杆(153)的预紧力f的函数关系式：
步骤2：根据步骤1所获滑移率K与调节螺杆(153)预紧力f的函数关系式，通过合理向调节螺杆(153)施加给定的预紧力f0，以保证刀圈试样-岩石对磨试验时刀圈组件(13)的滑移率为给定值K0：开展给定滑移率K0下的刀圈试样-岩石对磨试验；
步骤3：试验结果分析；
在步骤1中，包括如下分步：
分步1-1：向调节螺杆(153)施加不同的扭矩T，以确保相应施加不同的预紧力f；
扭矩T与预紧力f近似满足下式：
f＝T/(0.2d) (1)
式中，d为调节螺杆(153)的螺纹公称直径；
分步1-2：根据式(1)，开展给定预紧力f0下的刀圈试样-岩石对磨预实验，采用式(2)计算获得给定滑移率K0：
K0＝ω1/ω0 (2)
式中，ω1为刀圈试样(131)的实测角速度；ω0为刀圈试样(131)的理论角速度；
分步1-3：重复执行分步1-2，获得不同预紧力f下的滑移率K，进一步拟合获得不同滑移率f与K的函数关系式。
2.根据权利要求1所述的一种可模拟不同滑移率的刀圈试样-岩石对磨试验方法，其特征在于，在分步1-2中，刀圈试样(131)的实测角速度ω1采用高速摄像仪观测获得。
3.根据权利要求2所述的一种可模拟不同滑移率的刀圈试样-岩石对磨试验方法，其特征在于，分步1-2中，在刀圈试样的一侧沿其周向边缘粘贴有长短相间且均布的刻度线。
4.根据权利要求3所述的一种可模拟不同滑移率的刀圈试样-岩石对磨试验方法，其特征在于，分步1-2中，高速摄像仪的镜头正对刀圈试样的一侧设置。
5.根据权利要求4所述的一种可模拟不同滑移率的刀圈试样-岩石对磨试验方法，其特征在于，在刀座(12)中嵌入设置与刀轴动力连接的动态扭矩传感器，来测量获得分步1-2中刀圈试样(131)的实测角速度ω1。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种可模拟不同滑移率的刀圈试样-岩石对磨试验方法，其特征在于，在步骤2中，包括如下分步：
分步2-1：为了保证刀圈试样-岩石对磨试验时刀圈组件(13)的滑移率为给定值K0，利用分步1-3所得到的f与K的函数关系式，联合式(1)，计算开展刀圈试样-岩石对磨试验时调节螺杆(153)所需扭矩的给定值T0；
分步2-2：向调节螺杆(153)施加给定扭矩T0，开展给定滑移率K0下的刀圈试样-岩石对磨试验。
7.根据权利要求6所述的一种可模拟不同滑移率的刀圈试样-岩石对磨试验方法，其特征在于，步骤3包括如下分步：
分步3-1：称量法测量刀圈试样(131)对磨后的质量，并与没有进行试验时的质量对比，测量刀圈试样(131)的磨损质量；
分步3-2：对刀圈试样(131)的刃底进行显微观测；
分步3-3：搜集岩碴，并进行岩碴块度分析。
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106570275A (zh) * 2016-11-07 2017-04-19 沈阳工业大学 一种基于cai值的tbm滚刀磨损预测方法

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10266783A (ja) * 1997-03-28 1998-10-06 Komatsu Ltd ディスクカッタの摩耗検出方法および摩耗検出装置
JP3544190B2 (ja) * 2001-09-04 2004-07-21 川崎重工業株式会社 ローラーカッター摩耗検知装置
CN101299013B (zh) * 2008-06-23 2010-09-15 沈阳重型机械集团有限责任公司 刀具破岩机理与耐磨试验机
CN102519869B (zh) * 2012-01-06 2015-12-02 北京理工大学 一种利用点接触开/闭式销－盘摩擦系统测试切削粘结摩擦特性的方法
CN102901685B (zh) * 2012-10-23 2014-11-12 中南大学 模拟盾构施工工况的刀具摩擦磨损试验机、试验刀具及其试验方法
CN103969141B (zh) * 2013-01-29 2016-08-03 中南大学 一种硬岩滚刀破岩特性测试装置
CN103868812B (zh) * 2014-03-19 2015-11-18 大连理工大学 一种变载荷滚动摩擦磨损试验机
KR20160066616A (ko) * 2014-12-02 2016-06-13 현대건설주식회사 Ｔｂｍ 디스크 커터 분석시스템 및 분석방법
CN104614265B (zh) * 2015-01-14 2017-02-22 同济大学 一种掘进机盘形滚刀耐磨性测试装置及应用
CN204439519U (zh) * 2015-03-24 2015-07-01 葛洲坝集团试验检测有限公司 一种高强度螺栓连接摩擦面抗滑移检测用的紧固装置
KR101784181B1 (ko) * 2016-02-18 2017-10-11 삼성물산 주식회사 Tbm용 디스크 커터의 마모율 측정 장치 및 이를 이용한 디스크 커터의 마모율 측정 방법
CN107687984A (zh) * 2017-09-29 2018-02-13 中铁隧道局集团有限公司 滚刀磨损测试实验平台及配套的测量评价方法
CN108168808B (zh) * 2017-12-22 2020-03-24 武汉大学 一种结构可调整的盾构刀具磨损试验模型刀盘
CN208520712U (zh) * 2018-08-15 2019-02-19 长沙学院 一种盾构刀具的摩擦磨损试验装置
CN110108588B (zh) * 2019-05-22 2021-07-20 中南大学 一种高压水射流滚刀多自由度复合破岩实验装置
CN210834534U (zh) * 2019-05-31 2020-06-23 湖南师范大学 一种新型滚刀刀圈回转切割磨损试验装置
CN111091748A (zh) * 2019-12-31 2020-05-01 中铁工程服务有限公司 一种用于tbm试验台的缩比滚刀及刀座
CN112666033B (zh) * 2020-12-18 2023-11-17 中铁山河工程装备股份有限公司 一种tbm滚刀刀圈-岩石对磨相似性试验设计方法
CN112630017B (zh) * 2020-12-18 2022-01-04 湘潭大学 一种tbm滚刀刀圈-岩石对磨试验装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106570275A (zh) * 2016-11-07 2017-04-19 沈阳工业大学 一种基于cai值的tbm滚刀磨损预测方法

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