CN113686780A - 一种用于tbm滚刀破岩过程的微量磨损检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于TBM滚刀破岩过程的微量磨损检测方法，包括：收集给定条件下在滚刀破碎岩样过程中所产生的岩屑；筛选出岩粉，去除岩块；将所述岩粉均匀分成N份；从所述N份岩粉中随机取出n份岩粉作为检测样本；测量所述n份岩粉样本中每份岩粉样本中特异性元素x的总质量mxi；最后求出滚刀磨损量。本发明的有益之处在于：可借助滚刀破岩试验装置或TBM隧道工程现场所采集的岩屑，高效且经济地测量TBM滚刀的磨损量，克服了因滚刀刀圈材质硬且耐磨，加之工程滚刀尺寸大，导致采用常规称重法测量TBM滚刀磨损量耗时费力、效果不明显的局限性。
Description
技术领域
本发明涉及隧道掘进机技术领域、磨损检测技术领域，特别涉及一种用于全断面岩石隧道掘进机(以下简称TBM)盘形滚刀(以下简称滚刀)破岩过程的微量磨损检测方法。
背景技术
TBM因其具有较高的掘进效率、可靠性和安全性等优点，被广泛应用于我国重大地下空间建设工程。滚刀作为TBM核心破岩工具，因与掌子面岩石直接接触，使得滚刀破岩时承受较大的接触应力，尤其是在三高(高围压、高岩石强度、高石英含量)环境，导致其极易发生磨损失效。为此，业界常借用TBM滚刀破岩试验台开展物理试验研究滚刀摩擦磨损机理、分析刀岩作用行为，以寻求经济可行的滚刀减磨增寿方法。目前，用于所述物理试验的滚刀破岩试验装置按试验规模大小及对TBM刀盘刀具真实切削破岩过程的模拟还原程度可以分为四类，分别是全尺寸TBM滚刀切割试验台、缩尺寸滚刀切割试验台、小型压头侵岩试验台和滚刀刀圈材质摩擦磨损性能测试试验台。由于滚刀本身为耐磨材料，磨损量极少，故采用传统的称重法测量滚刀磨损量，测量精度不够，得到的测量数据说服力不强。如何精确测量滚刀微小磨损量成为业界亟待解决的难题。
发明内容
为了解决上述难题，本发明提供了一种用于TBM滚刀破岩过程的微量磨损检测方法，具体包括以下步骤：
S1：收集给定条件下在滚刀破碎岩样过程中所产生的岩屑。
S2：将S1中得到的岩屑进行筛分，筛选出岩粉，去除岩块。
S3：将S2中得到的岩粉均匀分成N份。
S4：将S3中得到的N份岩粉作为样本母体，从中随机取出n份岩粉作为检测样本(1≤n≤N)，分别编号Ai(1≤i≤n)。
S5：针对S4中所获n份岩粉样本，测量每份岩粉样本中特异性元素的总质量mxi(x为特异性元素，i为样本编号，1≤ii≤in)；特异性元素定义为构成滚刀，尤其是刀圈的元素成分，但该元素成分并非构成岩样本身的元素成分；
S6：将S5中所测每份岩粉样本中特异性元素x的质量mxi代入公式(1)中可求出滚刀磨损量。
式中，W为滚刀磨损量，Wxi为滚刀材料中xi元素的质量分数。
作为优选，S5包括以下分步骤：
S5-1：将S4中所得到的岩粉样本煅烧，去除岩粉样本中的碳元素。
S5-2：在S5-1中得到的煅烧后的岩粉中加入强酸，溶解煅烧后的岩粉，得到包含不溶性杂质Yi的待测溶液Xi。
S5-3：分离S5-2中待测溶液Xi和不溶性杂质Yi。
S5-4：检测S5-3中不溶性杂质Yi的元素成分，若Yi中含有待测的特异性元素x，则说明S5-2中加入的强酸不足，则增加强酸施加量，再重新执行步骤S5-2；若Y中不含有待测的特异性元素x，则说明S5-2中加入的强酸足够，则进入步骤S5-5；
S5-5：根据S5-4的检测结果，最终确定待测溶液Xi的体积Vi。
S5-6：检测待测溶液Xi中特异性元素x的浓度Exi。
S5-7：将S5-6中检测的Exi代入式(2)中，可计算出岩粉样本Ai中特异性元素x的质量mxi。
mxi＝Exi×Vi (2)
式中，mxi为样本编号为i的岩粉样本中特异性元素x的质量，Exi为待测溶液Xi中特异性元素x的浓度。
作为优选，S1中所获岩屑来自于TBM滚刀标准线切割实验台或TBM隧道工程现场之一；
作为优选，S2中，可使用筛网筛分S1中的岩屑，筛选出给定粒径范围内的岩粉，岩块予以去除。
更为优选，为有效去除不含滚刀材料的岩块，S2中，可选择孔径为0～0.3mm的标准方孔筛筛分岩屑。
更为优选，为验证S2中岩屑的筛分合理可靠，也即验证S2中被去除的岩块是否含有滚刀材料的特异性元素，可在S2与S3之间，插入S201步。S201：对S2步中被去除的岩块做元素检测，若被去除的岩块中检测出特异性元素，则再次返回S2，增大筛网孔径；若被去除的岩块中未检测出特异性元素，则说明选择的筛网孔径合理，进入S3。
作为优选，为使检测数据更加合理，便于后续处理，S3中，可将S2中得到的岩粉按重量均匀分配，使每份待测样本的重量均为G克。
作为优选，考虑到滚刀中金属元素含量占比最大，而岩石中一般无金属元素，S5中，特异性元素可选滚刀中占比大的金属元素。
作为优选，S5-1中，可将S4中所得到的岩粉放入坩埚中，再通过马弗炉煅烧。
更为优选，为防止岩粉中成分在煅烧中熔化，可将煅烧温度控制在接近但不超过700℃的范围，煅烧时间为3小时。
作为优选，为了快速去除S5-2中待测溶液Xi中的不溶性杂质Yi，S5-3中，可直接采用过滤方式去除待测溶液X中不溶性杂质，得到待测溶液Xi和不溶性杂质Yi。
更为优选，为提高待测溶液Xi中不溶性杂质Yi的分离率，可使溶液通过0.25μm微孔过滤膜循环水式真空泵，边倒溶液边搅拌，得到待测溶液Xi和不溶性杂质Yii。
作为优选，S5-4中，择一地采用XRD或分光光度仪，检测S5-3中不溶性杂质的成分。
作为优选，S5-6中，可通过偏振塞曼原子吸收光谱仪检测S5-5中待测溶液Xi中特异性元素x的浓度Exi。
更为优选，为了减少系统误差，S5-6中测量待测溶液Xi中不少于3种的特异性元素的浓度，然后分别计算各特异性元素的质量，并将其代入式(1)，进而分别计算出不同特异性元素对应的滚刀磨损量，再计算出滚刀磨损量的平均值，将该平均值作为最终滚刀磨损量。
本发明一种用于TBM滚刀破岩过程的微量磨损检测方法的有益效果是：可借助TBM滚刀标准线切割实验台或TBM隧道工程现场所采集的岩屑，高效且经济地测量TBM滚刀的磨损量，与现有缩尺比例的刀岩对磨试验台相比，更接近工况；易于组织实施，无需基于相似理论，设计刀岩对磨试验台与试验方法；克服了因滚刀刀圈材质硬且耐磨，加之工程滚刀尺寸大，导致采用常规称重法测量TBM滚刀磨损量耗时费力、效果不明显的局限性。此外，利用本发明还可开展如下工作，一方面，可以快速评判工程滚刀的摩擦磨损寿命；另一方面，为研究滚刀摩擦磨损机理提供了一种全新角度，可用于检验现有传统刀岩对磨试验方法的测试精度。
附图说明
构成本发明的一部分的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。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明一种用于TBM滚刀破岩过程的微量磨损检测方法具体实施例的流程图；
图2为某简化后具有缩尺比例的刀圈试样的形状示意图；
图3为采用如图2所示刀圈试样开展回转滚压破岩时的示意图；
图4为步骤S5中用于检验特异性元素xi的各分步流程图；
图5为本发明具体实施例S5中所获不溶性杂质Yi的成分检测图。
主要元件符号说明：
| 1 | 滚刀 |
| 2 | 岩样 |
| 2-1 | 切槽 |
具体实施例
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。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。
TBM滚刀形式多样，种类繁多，破岩过程复杂多变，现以TBM滚刀线性切割岩石为例，介绍一种用于TBM滚刀破岩过程的微量磨损检测方法的具体实施过程，总体流程图如图1所示，具体包括以下步骤：
S1：收集给定条件下在滚刀破碎岩样过程中所产生的岩屑。
S2：将S1中得到的岩屑进行筛分，筛选出岩粉，去除岩块。
S3：将S2中得到的岩粉均匀分成N份。
S4：将S3中得到的N份岩粉作为样本母体，从中随机取出n份岩粉作为检测样本(1≤n≤N)，分别编号Ai(1<i<n)。
S5：针对S4中所获n份岩粉样本，测量每份岩粉样本中特异性元素的总质量mxi(x为特异性元素，i为样本编号，1≤ii≤in)；特异性元素定义为构成滚刀，尤其是刀圈的元素成分，但该元素成分并非构成岩样本身的元素成分；
S6：将S5中所测每份岩粉样本中特异性元素x的质量mxi代入公式(1)中可求出滚刀磨损量。
式中，W为滚刀磨损量，Wxi为滚刀材料中xi元素的质量分数。
作为优选，S5包括以下分步骤：
S5-1：将S4中所得到的岩粉样本煅烧，去除岩粉样本中的碳元素。
S5-2：在S5-1中得到的煅烧后的岩粉中加入强酸，溶解煅烧后的岩粉，得到包含不溶性杂质Yi的待测溶液Xi。
S5-3：分离S5-2中待测溶液Xi和不溶性杂质Yi。
S5-4：检测S5-3中不溶性杂质Yi的元素成分，若Yi中含有待测的特异性元素x，则说明S5-2中加入的强酸不足，则增加强酸施加量，再重新执行步骤S5-2；若Y中不含有待测的特异性元素x，则说明S5-2中加入的强酸足够，则进入步骤S5-5；
S5-5：根据S5-4的检测结果，最终确定待测溶液Xi的体积Vi。
S5-6：检测待测溶液Xi中特异性元素x的浓度Exi。
S5-7：将S5-6中检测的Exi代入式(2)中，可计算出岩粉样本Ai中特异性元素x的质量mxi。
mxi＝Exi×Vi (2)
式中，mxi为样本编号为i的岩粉样本中特异性元素x的质量，Exi为待测溶液Xi中特异性元素x的浓度。
作为优选，考虑到刀磨试验台的相似性，为了提高破岩结果的可靠度，S1中，可在如前述四种滚刀破岩试验装置上，开展控制变量的滚刀线型切割岩石实验，并收集岩屑。
更为具体地，本例中，如采用图2所示形状尺寸的缩尺比例滚刀线型回转滚压破岩。滚刀以工程使用17吋滚刀为模型，按1/8比例缩小，并对其结构进行简化得到；岩样大小为240×80×80mm。
表1刀圈试样材料(H13钢)化学成分
更为优选，为进一步提高相似性，S1中，可对化学材料成分如表1所示的滚刀采用热处理工艺，使滚刀硬度达到工程用滚刀硬度标准，滚刀的化学材料成分可用红外分光光度计检测；再进行滚刀回转滚压破岩，单次滚压距离为20m，破岩过程如图3所示，滚刀1来回滚压岩样2，形成槽深h、槽宽b的切槽2-1。。
作为优选，为有效去除不含滚刀材料的岩块，S2中，可使用0.3mm的标准方孔筛筛分岩屑，得到含有特异性元素的岩粉，去除岩块。
更为优选，为验证S2中岩屑的筛分合理可靠，也即验证S2中被去除的岩块是否含有滚刀材料的特异性元素，进行S201步。S201：对S2步中被去除的岩块做元素检测，被去除的岩块中未检测出特异性元素，说明选择的筛网孔径合理，进入S3。
作为优选，为使检测数据更加合理，便于后续处理，S3中，可将得到的岩粉按重量均匀分配，根据本例实际情况，筛分后的岩粉总重量为1.2g，故将每份待测岩粉样本分为3份，每份重量均为0.4g。
作为优选，为使不混淆待测岩粉样本，方便对比检测结果，S4中，可采用随机取样的方式选取样本。由于本例中样本数量较少，故将3份待测岩粉样本全部选取，对其分别编号A1、A2、A3。
作为优选，考虑到滚刀中金属元素含量占比最大，岩石一般不含金属元素，S5中，可选滚刀中占比大的金属类特异性元素作为检测元素，检测流程如图4所示。
更为具体地，为减少岩石中极少量金属元素对检测结果的影响，节约时间、经济成本，本例中，由于到滚刀材料中Fe、Cr、Mo这三种金属元素总含量高达96.7％，故可选取Fe、Cr、Mo三种元素作为计算滚刀磨损量的特异性元素。
作为优选，为去除不溶于强酸的碳元素，同时避免岩粉成分在煅烧中熔化，S5-1中，可将S4中所得到的岩粉放入坩埚中，再通过马弗炉在接近但不超过700℃的温度环境中煅烧3小时。
作为优选，如S5-2所述，可在S5-1中得到煅烧后的岩粉中加入盐酸，使煅烧后的岩粉充分溶解，得到包含不溶性杂质Yi的待测溶液Xi(i为待测岩粉样本，1≤i≤3)。
作为优选，为了快速分离待测溶液Xi和不溶性杂质Yi，S5-3中，可直接采用过滤方式分离S5-2中待测溶液Xi和不溶性杂质Yi。
更为优选，为提高待测溶液Xi和不溶性杂质Yi的分离率，S5-3中，可使溶液通过0.25μm微孔过滤膜循环水式真空泵，边倒溶液边搅拌，得到待测溶液Xi和不溶性杂质Yi。
作为优选，采用X射线多晶衍射仪对不溶性杂质Yi做XRD成分测试，检测S5-3中不溶性杂质Yi的元素成分。
更为具体地，本例中，将采用X射线多晶衍射仪对不溶性杂质Y做XRD成分测试，检测结果如图5所示，由图可知，不溶性杂质Yi中主要含有的是花岗岩成分，说明S5-2中加入的盐酸足够，前处理方法可行。
作为优选，如S5-5所述，在S5-4中得到最终的待测溶液Xi后，使用100ml容量瓶定容，得到待测液体Xi共100ml。
作为优选，如S5-6所述，可通过偏振塞曼原子吸收光谱仪检测待测溶液Yi中待测金属元素的浓度EFe1、EFe2、EFe3；ECr1、ECr2、ECr3；EMo1、EMo2、EMo3。本例中，测得岩粉样本中的Fe、Cr、Mo的浓度如表2所示。
表2岩粉样本Ai中Fe、Cr、Mo的检测浓度汇总表
作为优选，如S5-7所述，将本例中S5-5中所测的岩粉样本Ai中Fe、Cr、Mo的浓度Exi数据代入式(2)中，可计算出如表3所示的岩粉样本Ai中Fe、Cr、Mo元素质量mFe1、mFe2、mFe3；mCr1、mCr2、mCr3；mMo1、mMo2、mMo3。
表3岩粉样本Ai中Fe、Cr、Mo的质量汇总表
作为优选，如S6所述，可将S5-7中Fe的质量mFe1、mFe2、mFe3代入式(1)中，可计算出滚刀的磨损量，其结果为6.933mg，故本例中TBM缩尺比例滚刀滚压破岩20m试验中滚刀磨损量为6.933mg。
更为优选，为减少系统误差，可将S5中得到的特异性元素Fe、Cr、Mo的质量mFei、mCri、mMoi分别代入式(1)中，分别计算出不同特异性元素对应的滚刀磨损量WFe、WCr、WMo为6.933mg、7.026mg、6.331mg，再计算WFe、WCr、WMo的平均值，其结果为6.763mg，故滚刀总磨损量为6.763i mg。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于TBM滚刀破岩过程的微量磨损检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：收集给定条件下在滚刀破碎岩样过程中所产生的岩屑；
S2：将S1中得到的岩屑进行筛分，筛选出岩粉，去除岩块；
S3：将S2中得到的岩粉均匀分成N份；
S4：将S3中得到的N份岩粉作为样本母体，从中随机取出n份岩粉作为检测样本(1≤n≤N)，分别编号Ai(1≤i≤n)；
S5：针对S4中所获n份岩粉样本，测量每份岩粉样本中特异性元素的总质量mxi(x为特异性元素，i为样本编号，1≤i≤n)；
S6：将S5中所测每份岩粉样本中特异性元素x的质量mxi代入公式(1)中可求出滚刀磨损量；
式中，W为滚刀磨损量，Wxi为滚刀材料中xi元素的质量分数。
2.根据权利要求1所述的一种用于TBM滚刀破岩过程的微量磨损检测方法，其特征在于，S5中包括以下分步骤：
S5-1：将S4中所得到的岩粉样本煅烧，去除岩粉样本中的碳元素；
S5-2：在S5-1中得到的煅烧后的岩粉中加入强酸，溶解煅烧后的岩粉，得到包含不溶性杂质Yi的待测溶液Xi；
S5-3：分离S5-2中待测溶液Xi和不溶性杂质Yi；
S5-4：检测S5-3中不溶性杂质Yi的元素成分，若Yi中含有待测的特异性元素x，则增加强酸施加量，再重新执行步骤S5-2；若Y中不含有待测的特异性元素x，则进入步骤S5-5；
S5-5：根据S5-4的检测结果，最终确定待测溶液Xi的体积Vi；
S5-6：检测待测溶液Xi中特异性元素x的浓度Exi；
S5-7：将S5-6中检测的Exi代入公式(2)中，可计算出岩粉样本Ai中特异性元素x的质量mxi；
mxi＝Exi×Vi (2)
式中，mxi为样本编号为i的岩粉样本中特异性元素x的质量，Exi为待测溶液Xi中特异性元素x的浓度。
3.如权利要求1所述的一种用于TBM滚刀破岩过程的微量磨损检测方法，其特征在于，S1中岩屑择一地来自于滚刀破岩试验装置或TBM隧道工程现场。
4.如权利要求1所述的一种用于TBM滚刀破岩过程的微量磨损检测方法，其特征在于，S2中使用方孔筛筛分所述岩屑。
5.如权利要求2所述的一种用于TBM滚刀破岩过程的微量磨损检测方法，其特征在于，S5-1中煅烧所述岩粉时，煅烧温度不超过700℃，煅烧时间为3h。
6.如权利要求2所述的一种用于TBM滚刀破岩过程的微量磨损检测方法，其特征在于，S5-3中择一地采用过滤或者0.25μm微孔过滤膜循环水式真空泵，分离出所述待测溶液中所述不溶性杂质。
7.如权利要求2所述的一种用于TBM滚刀破岩过程的微量磨损检测方法，其特征在于，S5-4中择一地采用XRD或分光光度仪检测被分离出的所述不溶性杂质。
8.如权利要求7所述的一种用于TBM滚刀破岩过程的微量磨损检测方法，其特征在于，S5-4中，若被分离出的所述不溶性杂质中含有所述特异性元素，则需要继续加入所述强酸；若被分离出的所述不溶性杂质中不含有特异性元素，则进入步骤S5-5。
9.如权利要求2所述的一种用于TBM滚刀破岩过程的微量磨损检测方法，其特征在于，在S5-5中，根据S5-4中所述岩粉充分溶解后所施加的强酸量，确定最终所述待测溶液的体积，使用偏振塞曼原子吸收光谱仪测量最终所述待测溶液中所述特异性元素的浓度。
10.如权利要求2所述的一种用于TBM滚刀破岩过程的微量磨损检测方法，其特征在于，S5-6中测量最终所述待测溶液中不少于3种所述特异性元素的浓度，然后分别计算所述特异性元素的质量，进而分别计算出所述特异性元素对应的滚刀磨损量，再计算出所述滚刀磨损量的平均值，将所述平均值作为最终滚刀磨损量。
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