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)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
:本實(shí)用新型涉及摩擦磨損測(cè)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)。
技術(shù)背景: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(duì)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(guò)刀具不斷地對(duì)開(kāi)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(pán)上主要布置用于破巖的滾刀，滾刀在掘進(jìn)過(guò)程中與開(kāi)挖面巖層產(chǎn)生“硬對(duì)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(pán)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(guò)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(kāi)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(guó)內(nèi)外報(bào)道了不少用于研究滾刀在硬巖掘進(jìn)過(guò)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(guó)專利200920245585.8)、《巖石切割刀具切削試驗(yàn)方法》(中國(guó)專利200910219276.8)、《雙滾刀實(shí)驗(yàn)臺(tái)刀具系統(tǒng)》(中國(guó)專利201010133136.1)、《刀具破巖機(jī)理與耐磨試驗(yàn)機(jī)》(中國(guó)專利200810011968.9)和((Disc cutting tests in Colorado Red Granite:1mplications 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(guò)程中破巖過(guò)程，可以研究相位角、內(nèi)偏角和刀間距等因素對(duì)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
實(shí)用新型內(nèi)容
:本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)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)。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(cè)量液壓油缸壓力的液壓傳感器和測(cè)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(kāi)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(kāi)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(duì)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(duì)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(kāi)口上設(shè)有封閉所述泥漿盒開(kāi)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(zhǎng)3mm 10mmX寬3_ 10mmX高10mm 20mm的長(zhǎng)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)。由于采用上述結(jié)構(gòu)，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn):1、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(jiǎn)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(duì)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(jiǎn)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1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)施方式
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以下結(jié)合附圖，進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本專利的具體實(shí)施方式
。試驗(yàn)刀具5可以是長(zhǎng)方體試樣或者圓柱體試樣，長(zhǎng)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(lái)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(pán)，上試樣夾具6是安裝在這個(gè)安裝盤(pán)上，所述的測(cè)量液壓頂推油缸頂推壓力的液壓傳感器的探測(cè)頭和測(cè)量摩擦力的輪輻式傳感器的探測(cè)頭設(shè)置在安裝盤(pán)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(zhǎng)方體或者圓柱體，高度在20 50毫米之間，長(zhǎng)方體下試樣的長(zhǎng)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1: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1、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(zhǎng)方體,打磨一個(gè)3mmX5mm端面用于與巖石下試樣對(duì)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(guò)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(zhǎng)方體,打磨一個(gè)3mmX5mm端面用于與巖石下試樣對(duì)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(guò)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(zhǎng)方體，打磨一個(gè)3_X 5mm端面用于與巖石下試樣對(duì)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(guò)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(cè)量液壓頂推油缸頂推壓力的液壓傳感器和測(cè)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(kāi)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(kāi)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(duì)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(duì)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1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(kāi)口上設(shè)有封閉所述泥漿盒開(kāi)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1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。
專利摘要一種模擬盾構(gòu)施工工況的刀具摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，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(kāi)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(kāi)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(duì)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(duì)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,本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)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)G01N3/02GK202956319SQ201220544580
公開(kāi)日2013年5月29日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中南大學(xué)