模擬盾構施工工況的刀具摩擦磨損試驗機、試驗刀具及其試驗方法技術

一種模擬盾構施工工況的刀具摩擦磨損試驗機、試驗刀具及其試驗方法，包括液壓頂推油缸和由旋轉電機帶動的旋轉軸，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有多個試驗刀具安裝孔，所述試驗刀具安裝孔在所述上試樣夾具上均勻分布,本發明專利技術結構簡單、方便計量磨損的失重和后續磨損表面形貌的分析、方便對滾刀刀圈磨損失效行為和機理進行研究、試驗成本低。

【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及摩擦磨損測試
，特別是一種模擬盾構施工工況的刀具摩擦磨損試驗機、試驗刀具及其試驗方法。
技術介紹
盾構施工廣泛應用于城市地鐵、鐵路、公路、市政、水電等隧道工程，它具有對周圍環境影響小、自動化程度高、效率高和安全環保等優點。根據地質條件不同，采用不同類型的盾構機進行隧道挖掘，在純硬巖地層中主要采用全斷面硬巖掘進機，在軟巖、土質地層和巖石與土的混合地層中主要采用土壓平衡盾構、泥水盾構和混合式盾構。刀具是盾構機的“牙齒”，通過刀具不斷地對開挖面巖石或土體進行擠壓、碾磨、切 肖IJ，從而使得盾構機不斷前進進行隧道挖掘。盾構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。在全斷面硬巖掘進機的刀盤上主要布置用于破巖的滾刀，滾刀在掘進過程中與開挖面巖層產生“硬對硬”的滾一滑磨損。在土壓平衡盾構、泥水盾構和混合式盾構的刀盤上主要布置軟土切削刀具，同時布置一定數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，兩者之間填充了各種各樣的土、砂、巖石碎塊等顆粒。國內外報道了不少用于研究滾刀在硬巖掘進過程中的磨損和破巖機理的裝置和方法，例如《巖石切割刀具切削試驗裝置》(中國專利200920245585. 8)、《巖石切割刀具切削試驗方法》(中國專利200910219276. 8)、《雙滾刀實驗臺刀具系統》(中國專利201010133136. I)、《刀具破巖機理與耐磨試驗機》(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。這些裝置和方法的優點是能夠較好的模擬滾刀在純硬巖掘進過程中破巖過程，可以研究相位角、內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理。它們的不足之處有以上試驗裝置偏重于盾構刀具的破巖機理，而不利于研究盾構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，不能夠研究此時刀具的磨損失效行為；以上試驗裝置都采用商業成品滾刀，它們的尺寸大、結構復雜，不利于磨損失重的計量和后續磨損表面形貌的分析，不利于滾刀刀圈磨損失效行為和機理的研究；試驗要求的巖石試樣巨大，難以獲取，成本高，同時商業成品滾刀的成本高,導致整個試驗裝置巨大、復雜，試驗成本昂貴。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服現有技術的不足而提供一種結構簡單、方便計量磨損的失重和后續磨損表面形貌的分析、方便對滾刀刀圈磨損失效行為和機理進行研究、試驗成本低的模擬盾構施工工況的刀具摩擦磨損試驗機、試驗刀具及其試驗方法。為實現上述目的，采用的技術方案為—種模擬盾構施工工況的刀具摩擦磨損試驗機，包括液壓頂推油缸、由旋轉電機帶動的旋轉軸、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有多個試驗刀具安裝孔，所述試驗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有封閉所述泥漿盒開口的蓋板。所述上試樣夾具上還設有固定安裝在所述試驗刀具安裝孔內試驗刀具的固定裝置。 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有三個試驗刀具安裝孔。一種用于模擬盾構施工工況刀具摩擦磨損試驗的試驗刀具，所述試驗刀具為長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，所述試驗刀具的底部固定在所述上試樣夾具的試驗刀具安裝孔內。一種模擬盾構施工工況的刀具摩擦磨損試驗方法，包括如下步驟a、安裝將試驗刀具插入所述上試樣夾具的所述試驗刀具安裝孔中，并用固定裝置將試驗刀具固定在所述試驗刀具安裝孔中，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，使得下試樣和試驗刀具接觸；C、向泥漿盒中添加泥漿，蓋上所述蓋板，繼續升高下試樣的位置，使試驗刀具和下試樣接觸并達到實際盾構施工地層中主要巖石的抗壓強度的壓力，此時啟動旋轉電機帶動旋轉軸轉動；添加泥漿的目的是為了模擬盾構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需要模擬的盾構施工的實際地層條件而變化。試驗刀具和下試樣之間的壓力根據需要模擬的盾構施工的實際地層中主要巖石的抗壓強度而變化。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據實時傳輸到電腦處理系統。所述頂推液壓油缸和旋轉電機均由電腦上摩擦磨損試驗系統軟件進行控制，所述摩擦磨損試驗系統軟件可實時監測和記錄摩擦磨損試樣過程中試驗刀具和下試樣之間的壓力與兩者之間的摩擦力。由于采用上述結構，本專利技術具有如下優點I、本試驗機還增加了一個泥漿盒，從而能夠模擬盾構刀具在土壓平衡和泥水平衡工作模式下的工況，研究復雜工況條件下刀具的磨損失效行為；2、本試驗機的推力裝置采用液壓頂推油缸，能夠提供最大12kN的推力，從而達到模擬實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、本裝置的試驗刀具為特制刀具，結構簡單，方便計量磨損的失重和后續磨損表面形貌的分析，方便對滾刀刀圈磨損失效行為和機理進行研究；而且成本低，可降低試驗成本；4、由于試驗刀具減小，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的角度研究刀具的磨損行為和機理。附圖說明圖I是本裝置的結構示意圖；圖2上試件夾具的仰視具體實施例方式下面結合附圖，進一步詳細說明本專利的具體實施方式。·試驗刀具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上分布有三個定位孔9，構成等邊三角形，定位孔9側面同時布置了螺釘用來固定試驗刀具，定位孔9可以是方孔或者圓孔；旋轉軸8上設置有一個安裝盤，上試樣夾具6是安裝在這個安裝盤上，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；實施例I :模擬全斷面硬巖掘進機施工時刀具磨損工況，研究滾刀刀圈的磨損失效行為。參照附圖，模擬盾構施工工況的刀具摩擦磨損試驗本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種模擬盾構施工工況的刀具摩擦磨損試驗機，包括液壓頂推油缸、由旋轉電機帶動的旋轉軸、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有多個試驗刀具安裝孔，所述試驗刀具安裝孔在所述上試樣夾具上均勻分布。

【技術特征摘要】
1.一種模擬盾構施工工況的刀具摩擦磨損試驗機，包括液壓頂推油缸、由旋轉電機帶動的旋轉軸、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有多個試驗刀具安裝孔，所述試驗刀具安裝孔在所述上試樣夾具上均勻分布。2.根據權利要求I所述的模擬盾構施工工況的刀具摩擦磨損試驗機，其特征在于所述泥漿盒的頂部開口上設有封閉所述泥漿盒開口的蓋板。3.根據權利要求2所述的模擬盾構施工工況的刀具摩擦磨損試驗機，其特征在于所述上試樣夾具上還設有固定安裝在所述試驗刀具安裝孔內試驗刀具的固定裝置。4.根據權利要求I所述的模擬盾構施工工況的刀具摩擦磨損試驗機，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.根據權利要求2所述的模擬盾構施工工況的刀具摩擦磨損試驗機，其特征在于所述上試樣夾具上設有三個試驗刀具安裝孔。6.根據權利要求I至5所述的一種用于模擬盾構...

【專利技術屬性】
技術研發人員：易丹青，王斌，陳麗勇，聶燦，
申請(專利權)人：中南大學，
類型：發明
國別省市：