專利名稱：模擬盾構(gòu)施工工況的刀具摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、試驗(yàn)刀具及其試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及摩擦磨損測試技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種模擬盾構(gòu)施工工況的刀具摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、試驗(yàn)刀具及其試驗(yàn)方法。
背景技術(shù)：
盾構(gòu)施工廣泛應(yīng)用于城市地鐵、鐵路、公路、市政、水電等隧道工程，它具有對周圍環(huán)境影響小、自動(dòng)化程度高、效率高和安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)地質(zhì)條件不同，采用不同類型的盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧道挖掘，在純硬巖地層中主要采用全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)，在軟巖、土質(zhì)地層和巖石與土的混合地層中主要采用土壓平衡盾構(gòu)、泥水盾構(gòu)和混合式盾構(gòu)。刀具是盾構(gòu)機(jī)的“牙齒”，通過刀具不斷地對開挖面巖石或土體進(jìn)行擠壓、碾磨、切 肖IJ，從而使得盾構(gòu)機(jī)不斷前進(jìn)進(jìn)行隧道挖掘。盾構(gòu)刀具主要包括用于破巖的滾刀和用于切削土體的切刀、刮刀、周邊刮刀、中心刀和先行刀等兩大類刀具。在全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)的刀盤上主要布置用于破巖的滾刀，滾刀在掘進(jìn)過程中與開挖面巖層產(chǎn)生“硬對硬”的滾一滑磨損。在土壓平衡盾構(gòu)、泥水盾構(gòu)和混合式盾構(gòu)的刀盤上主要布置軟土切削刀具，同時(shí)布置一定數(shù)量用于破巖和破碎大塊漂石的滾刀，刀具在軟巖、土層和混合地層中的磨損與硬巖掘進(jìn)過程中刀具的磨損有極大的差別，在土壓平衡和泥水平衡盾構(gòu)施工中刀具浸泡在各種各樣的泥漿中，刀具與開挖面作用時(shí)，兩者之間填充了各種各樣的土、砂、巖石碎塊等顆粒。國內(nèi)外報(bào)道了不少用于研究滾刀在硬巖掘進(jìn)過程中的磨損和破巖機(jī)理的裝置和方法，例如《巖石切割刀具切削試驗(yàn)裝置》(中國專利200920245585. 8)、《巖石切割刀具切削試驗(yàn)方法》(中國專利200910219276. 8)、《雙滾刀實(shí)驗(yàn)臺(tái)刀具系統(tǒng)》(中國專利201010133136. I)、《刀具破巖機(jī)理與耐磨試驗(yàn)機(jī)》(中國專利200810011968. 9)和((Disc cutting tests in Colorado Red Granite: Implications for TBM performanceprediction)) (International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2007年44卷第2期)等專利和文獻(xiàn)。這些裝置和方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠較好的模擬滾刀在純硬巖掘進(jìn)過程中破巖過程，可以研究相位角、內(nèi)偏角和刀間距等因素對滾刀破巖的影響，有利于深入了解滾刀破巖的機(jī)理。它們的不足之處有以上試驗(yàn)裝置偏重于盾構(gòu)刀具的破巖機(jī)理，而不利于研究盾構(gòu)刀具的磨損失效行為，且以上裝置初衷都是用于滾刀破巖機(jī)理研究，而不利于其它刀具切削軟巖和土層的研究；不能夠模擬盾構(gòu)刀具在土壓平衡和泥水平衡工作模式下的工況，不能夠研究此時(shí)刀具的磨損失效行為；以上試驗(yàn)裝置都采用商業(yè)成品滾刀，它們的尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于磨損失重的計(jì)量和后續(xù)磨損表面形貌的分析，不利于滾刀刀圈磨損失效行為和機(jī)理的研究；試驗(yàn)要求的巖石試樣巨大，難以獲取，成本高，同時(shí)商業(yè)成品滾刀的成本高,導(dǎo)致整個(gè)試驗(yàn)裝置巨大、復(fù)雜，試驗(yàn)成本昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種結(jié)構(gòu)簡單、方便計(jì)量磨損的失重和后續(xù)磨損表面形貌的分析、方便對滾刀刀圈磨損失效行為和機(jī)理進(jìn)行研究、試驗(yàn)成本低的模擬盾構(gòu)施工工況的刀具摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、試驗(yàn)刀具及其試驗(yàn)方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用的技術(shù)方案為—種模擬盾構(gòu)施工工況的刀具摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，包括液壓頂推油缸、由旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸、測量液壓油缸壓力的液壓傳感器和測量摩擦力的輪輻式傳感器，所述液壓頂推油缸上安裝有泥漿盒，所述泥漿盒的頂部開口，所述旋轉(zhuǎn)軸下方安裝有上試樣夾具，所述上試樣夾具從所述泥漿盒的頂部開口置于所述泥漿盒內(nèi)部，所述泥漿盒的底部安裝有與所述上試樣夾具位置相對應(yīng)的下試樣夾具，所述上試樣夾具上在與所述下試樣夾具相對的面上設(shè)有多個(gè)試驗(yàn)刀具安裝孔，所述試驗(yàn)刀具安裝孔在所述上試樣夾具上均勻分布。所述泥漿盒的頂部開口上設(shè)有封閉所述泥漿盒開口的蓋板。所述上試樣夾具上還設(shè)有固定安裝在所述試驗(yàn)刀具安裝孔內(nèi)試驗(yàn)刀具的固定裝置。
所述液壓頂推油缸為最大可提供12kN推力的液壓頂推油缸。所述上試樣夾具上設(shè)有三個(gè)試驗(yàn)刀具安裝孔。一種用于模擬盾構(gòu)施工工況刀具摩擦磨損試驗(yàn)的試驗(yàn)刀具，所述試驗(yàn)刀具為長3mm 10mmX寬3_ 10mmX高10mm 20mm的長方體或直徑Φ 3_ 10mmX高10mm 20mm的圓柱體，所述試驗(yàn)刀具的底部固定在所述上試樣夾具的試驗(yàn)刀具安裝孔內(nèi)。一種模擬盾構(gòu)施工工況的刀具摩擦磨損試驗(yàn)方法，包括如下步驟a、安裝將試驗(yàn)刀具插入所述上試樣夾具的所述試驗(yàn)刀具安裝孔中，并用固定裝置將試驗(yàn)刀具固定在所述試驗(yàn)刀具安裝孔中，將下試樣放入所述下試樣夾具中；b、開啟頂推液壓油缸提升所述下試樣夾具，使得下試樣和試驗(yàn)刀具接觸；C、向泥漿盒中添加泥漿，蓋上所述蓋板，繼續(xù)升高下試樣的位置，使試驗(yàn)刀具和下試樣接觸并達(dá)到實(shí)際盾構(gòu)施工地層中主要巖石的抗壓強(qiáng)度的壓力，此時(shí)啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；添加泥漿的目的是為了模擬盾構(gòu)刀具在土壓平衡和泥水平衡工況條件下的摩擦磨損行為，泥漿由水、泥土、沙粒組成，它們之間的比例根據(jù)需要模擬的盾構(gòu)施工的實(shí)際地層條件而變化。試驗(yàn)刀具和下試樣之間的壓力根據(jù)需要模擬的盾構(gòu)施工的實(shí)際地層中主要巖石的抗壓強(qiáng)度而變化。d、通過所述液壓油缸液壓傳感器和輪輻式傳感器將壓力和摩擦力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)诫娔X處理系統(tǒng)。所述頂推液壓油缸和旋轉(zhuǎn)電機(jī)均由電腦上摩擦磨損試驗(yàn)系統(tǒng)軟件進(jìn)行控制，所述摩擦磨損試驗(yàn)系統(tǒng)軟件可實(shí)時(shí)監(jiān)測和記錄摩擦磨損試樣過程中試驗(yàn)刀具和下試樣之間的壓力與兩者之間的摩擦力。由于采用上述結(jié)構(gòu)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)I、本試驗(yàn)機(jī)還增加了一個(gè)泥漿盒，從而能夠模擬盾構(gòu)刀具在土壓平衡和泥水平衡工作模式下的工況，研究復(fù)雜工況條件下刀具的磨損失效行為；2、本試驗(yàn)機(jī)的推力裝置采用液壓頂推油缸，能夠提供最大12kN的推力，從而達(dá)到模擬實(shí)際工況條件下刀具所受巨大壓力和摩擦力下的磨損行為。
3、本裝置的試驗(yàn)刀具為特制刀具，結(jié)構(gòu)簡單，方便計(jì)量磨損的失重和后續(xù)磨損表面形貌的分析，方便對滾刀刀圈磨損失效行為和機(jī)理進(jìn)行研究；而且成本低，可降低試驗(yàn)成本；4、由于試驗(yàn)刀具減小，使得本裝置的試樣尺寸小，形狀簡單，從而有利于從材料科學(xué)的角度研究刀具的磨損行為和機(jī)理。


圖I是本裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2上試件夾具的仰視具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，進(jìn)一步詳細(xì)說明本專利的具體實(shí)施方式
?！ぴ囼?yàn)刀具5可以是長方體試樣或者圓柱體試樣，長方體試樣尺寸可在3mmX3mmX 10mm和10mmX 10mmX20mm之間，圓柱體試樣可在Φ3mmX IOmm和Φ 10_X 20mm 之間；上試樣夾具6上分布有三個(gè)定位孔9，構(gòu)成等邊三角形，定位孔9側(cè)面同時(shí)布置了螺釘用來固定試驗(yàn)刀具，定位孔9可以是方孔或者圓孔；旋轉(zhuǎn)軸8上設(shè)置有一個(gè)安裝盤，上試樣夾具6是安裝在這個(gè)安裝盤上，所述的測量液壓頂推油缸頂推壓力的液壓傳感器的探測頭和測量摩擦力的輪輻式傳感器的探測頭設(shè)置在安裝盤和上試樣夾具6之間；下試樣4可以是各種巖石、混泥土塊或者金屬，可以是長方體或者圓柱體，高度在20 50毫米之間，長方體下試樣的長或者寬可以在60 150毫米之間，圓柱體下試樣的直徑可以在60 150毫米之間；實(shí)施例I :模擬全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)施工時(shí)刀具磨損工況，研究滾刀刀圈的磨損失效行為。參照附圖，模擬盾構(gòu)施工工況的刀具摩擦磨損試驗(yàn)裝置，包括液壓頂推油缸I、泥漿盒2、下試樣夾具3、下試樣4、試驗(yàn)刀具5、上試樣夾具6、泥漿盒蓋板7、旋轉(zhuǎn)軸8。試驗(yàn)刀具5為盾構(gòu)滾刀刀圈，經(jīng)線切割加工成3mmX5mmX15mm的長方體，打磨一個(gè)3mmX5mm端面用于與巖石下試樣對磨。相應(yīng)的上試樣夾具的定位孔大小為3mmX5mm。下試樣為花崗巖，大小為80mmX 80mmX 30mm。模擬盾構(gòu)施工工況的刀具摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)工作時(shí)，試驗(yàn)刀具5通過試驗(yàn)刀具定位孔9以及側(cè)向螺釘固定在上試樣夾具6上，下試樣4固定在下試樣夾具3上并置于泥漿盒3內(nèi)，模擬全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)工況時(shí)，泥漿盒3不添加泥漿，將泥漿盒3固定在下試樣基座上，升高液壓頂推油缸1，直至試驗(yàn)刀具5與下試樣4接觸并達(dá)到5000N的壓力值，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)使旋轉(zhuǎn)軸8以100r/min的速度旋轉(zhuǎn)進(jìn)行磨損試驗(yàn)。實(shí)施例2 :模擬混合式盾構(gòu)機(jī)施工時(shí)刀具磨損工況，研究滾刀刀圈的磨損失效行為。試驗(yàn)刀具5為盾構(gòu)滾刀刀圈，經(jīng)線切割加工成3mmX5mmX15mm的長方體，打磨一個(gè)3mmX5mm端面用于與巖石下試樣對磨。相應(yīng)的上試樣夾具的定位孔大小為3mmX5mm。下試樣為砂巖，大小為80mmX80mmX30mm。泥漿組成包括15%的水，50%的細(xì)砂(直徑小于3mm)和 20% 泥土。模擬盾構(gòu)施工工況的刀具摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)工作時(shí)，試驗(yàn)刀具5通過試驗(yàn)刀具定位孔9以及側(cè)向螺釘固定在上試樣夾具6上，下試樣4固定在下試樣夾具3上并置于泥漿盒3內(nèi)，向泥漿盒3添加上述泥漿，將泥漿盒3固定在下試樣基座上，蓋上泥漿盒蓋板7，升高液壓頂推油缸1，直至試驗(yàn)刀具5與下試樣4接觸并達(dá)到7500N的壓力值，啟動(dòng)電機(jī)使旋轉(zhuǎn)軸8以lOOr/min的速度旋轉(zhuǎn)進(jìn)行磨損試驗(yàn)。實(shí)施例3 :模擬混合式盾構(gòu)機(jī)施工時(shí)刀具磨損工況，研究切削刀具的磨損失效行為。試驗(yàn)刀具為用在切刀上的硬質(zhì)合金齒條，經(jīng)線切割加工成3mmX5mmX 15mm的長方體，打磨一個(gè)3_X 5mm端面用于與巖石下試樣對磨。相應(yīng)的上試樣夾具的定位孔大小為3mmX5mm。下試樣為砂巖，大小為80mmX80mmX30mm。泥衆(zhòng)組成包括15%的水，50%的細(xì) 砂(直徑小于3mm)和20%泥土。模擬盾構(gòu)施工工況的刀具摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)工作時(shí)，試驗(yàn)刀具5通過試驗(yàn)刀具定位孔9以及側(cè)向螺釘固定在上試樣夾具6上，下試樣4固定在下試樣夾具3上并置于泥漿盒3內(nèi)，向泥漿盒3添加上述泥漿，將泥漿盒3固定在下試樣基座上，蓋上泥漿盒蓋板7，升高液壓頂推油缸1，直至試驗(yàn)刀具5與下試樣4接觸并達(dá)到5000N的壓力值，啟動(dòng)電機(jī)使旋轉(zhuǎn)軸8以150r/min的速度旋轉(zhuǎn)進(jìn)行磨損試驗(yàn)。
權(quán)利要求
1.一種模擬盾構(gòu)施工工況的刀具摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，包括液壓頂推油缸、由旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸、測量液壓頂推油缸頂推壓力的液壓傳感器和測量摩擦力的輪輻式傳感器，其特征在于所述液壓頂推油缸上安裝有泥漿盒，所述泥漿盒的頂部開口，所述旋轉(zhuǎn)軸下方安裝有上試樣夾具，所述上試樣夾具從所述泥漿盒的頂部開口置于所述泥漿盒內(nèi)部，所述泥漿盒的底部安裝有與所述上試樣夾具位置相對應(yīng)的下試樣夾具，所述上試樣夾具上在與所述下試樣夾具相對的面上設(shè)有多個(gè)試驗(yàn)刀具安裝孔，所述試驗(yàn)刀具安裝孔在所述上試樣夾具上均勻分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模擬盾構(gòu)施工工況的刀具摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所述泥漿盒的頂部開口上設(shè)有封閉所述泥漿盒開口的蓋板。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬盾構(gòu)施工工況的刀具摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所述上試樣夾具上還設(shè)有固定安裝在所述試驗(yàn)刀具安裝孔內(nèi)試驗(yàn)刀具的固定裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模擬盾構(gòu)施工工況的刀具摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所述液壓頂推油缸為最大可提供12kN推力的液壓頂推油缸。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬盾構(gòu)施工工況的刀具摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所述上試樣夾具上設(shè)有三個(gè)試驗(yàn)刀具安裝孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5所述的一種用于模擬盾構(gòu)施工工況刀具摩擦磨損試驗(yàn)的試驗(yàn)刀具，其特征在于所述試驗(yàn)刀具為長3mm IOmmX寬3mm IOmmX高IOmm 20mm的長方體或直徑Φ3ι πι IOmmX高IOmm 20mm的圓柱體,所述試驗(yàn)刀具的底部固定在所述上試樣夾具的試驗(yàn)刀具安裝孔內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的試驗(yàn)機(jī)和試驗(yàn)刀具的模擬盾構(gòu)施工工況的刀具摩擦磨損試驗(yàn)方法，其特征在于 a、安裝將試驗(yàn)刀具插入所述上試樣夾具的所述試驗(yàn)刀具安裝孔中，并用固定裝置將試驗(yàn)刀具固定在所述試驗(yàn)刀具安裝孔中，將下試樣放入所述下試樣夾具中； b、開啟液壓頂推油缸提升所述下試樣夾具，使得下試樣和試驗(yàn)刀具接觸； C、向泥漿盒中添加泥漿，蓋上所述蓋板，繼續(xù)升高下試樣的位置，使試驗(yàn)刀具和下試樣接觸并達(dá)到實(shí)際盾構(gòu)施工地層中主要巖石的抗壓強(qiáng)度的壓力，此時(shí)啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)； d、通過所述液壓傳感器和輪輻式傳感器將試驗(yàn)刀具和下試樣之間的壓力和摩擦力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)诫娔X處理系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的試驗(yàn)方法，其特征在于所述頂推液壓油缸和旋轉(zhuǎn)電機(jī)均由電腦上摩擦磨損試驗(yàn)系統(tǒng)軟件進(jìn)行控制，所述摩擦磨損試驗(yàn)系統(tǒng)軟件可實(shí)時(shí)監(jiān)測和記錄摩擦磨損試樣過程中試驗(yàn)刀具和下試樣之間的壓力與兩者之間的摩擦力。
全文摘要
一種模擬盾構(gòu)施工工況的刀具摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、試驗(yàn)刀具及其試驗(yàn)方法，包括液壓頂推油缸和由旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸，所述液壓頂推油缸上安裝有泥漿盒，所述泥漿盒的頂部開口，所述旋轉(zhuǎn)軸下方安裝有上試樣夾具，所述上試樣夾具從所述泥漿盒的頂部開口置于所述泥漿盒內(nèi)部，所述泥漿盒的底部安裝有與所述上試樣夾具位置相對應(yīng)的下試樣夾具，所述上試樣夾具上與所述下試樣夾具相對的面上設(shè)有多個(gè)試驗(yàn)刀具安裝孔，所述試驗(yàn)刀具安裝孔在所述上試樣夾具上均勻分布,本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、方便計(jì)量磨損的失重和后續(xù)磨損表面形貌的分析、方便對滾刀刀圈磨損失效行為和機(jī)理進(jìn)行研究、試驗(yàn)成本低。
文檔編號(hào)G01N3/02GK102901685SQ20121040739
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月23日
發(fā)明者易丹青, 王斌, 陳麗勇, 聶燦 申請人:中南大學(xué)