CN110057705A - 一种水射流和腐蚀液体下刀圈磨损试验装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水射流和腐蚀液体下刀圈磨损试验装置及测试方法。所述试验装置中，伸缩油缸联接在立体机架上，伸缩油缸下方依次连有横梁、联接板、三向力传感器与刀架，刀架内连有轴承、刀轴、缩尺寸刀圈，刀架下方连有竖向喷头导轨，竖向喷头导轨上依次连有横向喷头导轨、喷头支架和喷头，横梁关于伸缩油缸对称布有两套刀架、缩尺寸刀圈、喷头等部件，极硬岩试样放置于料仓盒内，料仓盒底部通过螺栓与液压马达联接，红外测温仪固定联接于支撑底座外圈上。所述测试方法可配合所述试验装置完成刀圈在水射流辅助和腐蚀性液体条件下的切割磨损试验全过程，可为水射流和腐蚀液体条件下的滚刀刀圈磨损寿命预测及其耐磨性设计提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及岩石隧道掘进机滚刀切割磨损试验技术领域，具体涉及一种水射流辅助和腐蚀性液体条件下的滚刀刀圈回转切割磨损试验装置及测试方法。
背景技术
岩石隧道掘进机(简称TBM)由于施工效率高、作业安全性强等诸多优点被广泛应用于隧道开挖。TBM主要依靠在刀盘上的滚刀切割破碎岩石，滚刀的破岩性能直接决定TBM整机掘进的可靠性和稳定性。滚刀主要包括刀圈、刀毂、刀轴等关键部件，滚刀通过刀圈与岩石相互接触，由于岩石的强磨蚀性，会给滚刀刀圈在切割过程中带来严重磨损，进而严重制约滚刀使用寿命和破岩效率，因此极有必要掌握滚刀切割过程中的滚刀刀圈摩擦磨损特性。我国幅员辽阔，地质条件复杂，当滚刀切割破岩地层涉及极硬地层(岩石抗压强度150MPa以上)或腐蚀性地层(处于海水、强酸、强碱等腐蚀性液体环境)时，甚至部分极硬地层处于腐蚀性液体环境时，滚刀刀圈破岩效率低下且滚刀刀圈磨耗量急剧增加，给滚刀寿命预测及其耐磨性设计带来了极大难题。为了解决极硬岩以及腐蚀环境下滚刀刀圈磨耗过大等工程问题，一些新型辅助滚刀破岩方法逐渐被提出。较为典型的辅助滚刀破岩方法为水射流辅助滚刀破岩方法，中国铁建重工集团有限公司申请的发明专利(申请号：201710377326.X，201811311806.7)，名称分别为：一种破岩滚刀、盾构机刀盘及盾构机，一种掘进机及掘进机切割机构，提出在滚刀刀座位置或者刀盘中心区域安装水射流装置协助滚刀破岩方法。大连理工大学申请的发明专利(申请号：CN201310188881.X)，名称为：高压水射流在掘进机刀盘中的布置方法和结构，提出了一种在TBM刀盘上布置水射流辅助滚刀破岩方法和结构。
水射流辅助滚刀破岩方法可以在滚刀刀圈切割岩石时，提供水力压力致裂岩石，同时能冲刷滚刀刀圈界面，进而去除滚刀刀圈界面腐蚀性磨料并降低滚刀刀圈界面接触温度，从而降低滚刀刀圈切割破岩载荷和滚刀刀圈磨耗。由于增加水射流后改变了原有滚刀切割环境以及切割特性，加之腐蚀性液体对滚刀刀圈有腐蚀效应，导致滚刀刀圈摩擦磨损特性发生转变，使得其与传统意义上的滚刀刀圈磨损特性不同，因此有必要研究水射流辅助以及腐蚀性液体对滚刀刀圈的摩擦磨损特性的影响规律。通过室内试验方法是获得上述水射流辅助以及腐蚀性液体对滚刀刀圈摩擦磨损特性的最有效手段，因此设计一种能研究水射流辅助以及腐蚀性液体对滚刀刀圈切割极硬岩的摩擦磨损规律的试验装置及测试方法显得极为重要。
通过对相关文献及资料调研发现，目前已有多个单位设计了相关TBM滚刀磨损试验装置。中南大学申请的发明专利(申请号：201310032227.X)，名称为：一种硬岩滚刀破岩特性测试装置，涉及的测试装置可以开展滚刀磨损试验，但该装置采用主动转动滚刀刀圈的方式来实现滚刀滑动摩擦磨损，与真实的滚刀刀圈被动转动摩擦磨损存在一定区别，且该试验装置无法开展水射流辅助和腐蚀性液体条件下的滚刀刀圈切割磨损试验；中铁隧道局集团有限公司申请的发明专利(申请号：201710905705.1)，名称为：滚刀磨损测试实验平台及配套的测量评价方法，涉及的磨损试验装置也采用主动转动滚刀的方式来实现滚刀摩擦磨损，且模拟的是滚刀线性切割磨损，与真实的滚刀回转切割磨损有较大的失真，同时该试验装置无法开展水射流辅助和腐蚀性液体条件下的滚刀切割磨损试验；长沙学院申请的发明专利(申请号：201811158653.7)，名称为：一种盾构刀具材料磨损实验台，研制了一种滚刀材料磨损试验装置，该装置无法开展水射流辅助以及腐蚀性液体条件下滚刀刀圈切割磨损试验，且当滚刀刀圈对摩极硬岩时，由于滚刀刀圈切割载荷过大，容易引起试验装置侧翻失稳。同时，该装置下的滚刀及其配件拆卸以及安装过程复杂，滚刀安装位置亦不可调，研究滚刀刀圈的摩擦磨损特性能力有限。
综上来看，现有滚刀磨损试验装置可以完成一般常规条件下的滚刀刀圈摩擦磨损试验，但现有滚刀磨损试验装置基本不能完成水射流辅助以及腐蚀性液体条件下的滚刀刀圈切割磨损试验。同时考虑到滚刀切割极硬岩时，相同切割磨损深度下滚刀切割载荷更大，容易造成岩石料仓乃至整个测试装置失稳，因此对磨损试验装置的稳定性要求更高。另外，滚刀在刀盘上存在不同安装半径，且在该安装半径下围绕刀盘圆心回转被动转动切割破碎岩石，因此需研究不同安装半径下的滚刀刀圈被动转动摩擦磨损特性。本发明针对于现有滚刀摩擦磨损试验装置的不足，结合水射流辅助和腐蚀性液体条件下的滚刀摩擦磨损实际研究需求，设计了这种水射流辅助和腐蚀性液体条件下的滚刀刀圈磨损试验装置及测试方法，以实现不同安装半径、切割深度、绕刀盘中心回转速度、正压力、水射流以及腐蚀性液体等多参数下的滚刀刀圈切割摩擦磨损测试及其监测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水射流辅助和腐蚀性液体条件下的滚刀刀圈磨损试验装置及测试方法，实现水射流辅助和腐蚀性液体条件下的滚刀刀圈切割极硬岩摩擦磨损试验及其动态监测，研究不同参数下的滚刀刀圈摩擦磨损特性，为不同参数下的滚刀磨损寿命预测及其耐磨性设计提供支撑。
本发明主要通过以下方案实现，本发明主要包括伸缩油缸、立体机架、三向力传感器、缩尺寸刀圈、红外测温仪、支撑底座外圈、极硬岩试样、耐磨滚子、支撑底座底盘、液体导管、液压马达、料仓盒、机架支撑筋、横梁、横梁支撑筋、轴承右端盖、刀轴、紧固螺母、横向喷头导轨、喷头支架、喷头、水射流导管、竖向喷头导轨、轴承左端盖、轴承、刀架、刀架支撑筋、联接板。
所述伸缩油缸固定于所述立体机架的中间位置，所述立体支架直角转弯处采用机架支撑筋加固，所述立体支架下端紧固于地面上；所述伸缩油缸通过其活塞杆与所述横梁联接，在所述横梁上关于其中间位置对称布置有两个所述横梁支撑筋，所述横梁通过螺栓与所述联接板联接，所述联接板通过所述三向力传感器与所述刀架联接，所述横梁内部开有燕尾槽结构，所述刀架可随同所述联接板沿燕尾槽滑动，以达到不同安装半径，并最终由螺栓锁死定位。
所述刀架两侧布有所述刀架支撑筋，所述刀架内安装一对所述轴承，所述刀架左右两侧连有所述轴承左端盖和轴承右端盖，用于定位所述轴承的外圈，所述轴承右端盖与所述刀轴之间布有密封环；所述轴承内圈与所述刀轴过盈联接，所述刀轴通过键和所述缩尺寸刀圈联接，通过所述紧固螺母拧在所述刀轴上，所述缩尺寸刀圈可连同所述刀轴和所述轴承内圈转动；所述轴承外圈与刀架内部过盈联接；所述三向力传感器、刀架、刀轴、缩尺寸刀圈与所述紧固螺母关于所述伸缩油缸对称分布于所述横梁上，所需缩尺寸刀圈与所述极硬岩试样接触。
所述刀架正下方连有所述竖向喷头导轨，所述横向喷头导轨可在竖向喷头导轨上上下移动，并最终被螺栓紧固定位；所述横向喷头导轨开有燕尾槽结构，所述喷头支架可在所述横向喷头导轨上左右移动，并最终被螺栓紧固定位；所述喷头联接在所述喷头支架上，且所述喷头可在所述喷头支架上摆动任一角度，并最终由螺栓紧固定位，所述喷头支架上可以安装不同结构形式的所述喷头。
所述极硬岩试样和所述料仓盒均为圆形，所述极硬岩试样放置于所述料仓盒内，并由四个对称分布的螺栓紧固，所述料仓盒的高度高于所述极硬岩试样，所述料仓盒内表面涂有防腐蚀层，所述料仓盒底部通过螺栓与所述液压马达联接，所述液压马达固定于地面；所述料仓盒边缘底部与若干个所述耐磨滚子接触，若干个所述耐磨滚子均匀布置于所述支撑底座底盘的半球面凹槽内，所述耐磨滚子可在半球面凹槽内自由滚动，所述支撑底座底盘通过所述耐磨滚子支撑住所述料仓盒边缘。
所述红外测温仪固定联接于所述支撑底座外圈上，并正对所述缩尺寸刀圈中心位置，可以实时采集试验过程中所述缩尺寸刀圈表面整体温度分布特征；所述支撑底座外圈与支撑底座底盘的联接处开有一个排液孔，排液孔连有所述液体导管。
所述横梁、刀架和缩尺寸刀圈的竖直方向移动通过所述伸缩油缸的活塞杆伸缩移动控制实现，且伸缩油缸具有锁死位移和保持恒定压力的功能，即可以保证所述缩尺寸刀圈恒定压力和恒定切割深度下的摩擦磨损试验；所述料仓盒和极硬岩试样的圆周转动由所述液压马达旋转实现，所述液压马达可以通过流速和压力调节，实现液压马达转速无级调节，进而实现料仓盒和极硬岩试样的转速无级调节。
所述三向力传感器用于测试水射流辅助和腐蚀性液体条件下的缩尺寸刀圈磨损三向载荷数据，并用于计算对应的摩擦系数。
考虑到真实滚刀刀圈的结构尺寸过大，不便于开展室内磨损试验研究，且全尺寸刀圈价格过高，因此采用所述缩尺寸刀圈来代替真实的滚刀刀圈，材料和热处理后的力学性能与真实滚刀刀圈一致。
该磨损试验装置涉及的测试方法包括如下步骤：
步骤一：缩尺寸刀圈摩擦磨损参数设置
(1)安装半径和转速确定。对于缩尺寸刀圈或者真实刀圈，其对应的被动转速和绕所述横梁中心或者刀盘中心的转速的关系如下两式所示；
n1r1＝n2r2 (1)
N1R1＝N2R2 (2)
式中，n1为所述缩尺寸刀圈被动转速，r1为所述缩尺寸刀圈半径，n2为所述横梁转速，r2为所述缩尺寸刀圈在横梁上的安装半径；N1为工程中真实滚刀刀圈被动转速，R1为工程中真实滚刀刀圈半径，N2为工程中真实刀盘转速，R2为工程中真实滚刀在刀盘上的安装半径；
为了较好模拟工程中真实滚刀刀圈摩擦情况，需满足下式：
n1＝N1 (3)
则得到下式：
为了加快磨损试验进程，设定所述横梁转速n2大于工程中真实刀盘转速N2，且为其整数倍，则可以大大减小所述缩尺寸刀圈的安装半径，进而极大缩小刀圈磨损试验装置整体尺寸。
(2)刀圈正压力和切割深度确定。考虑到工程中真实TBM滚刀破岩存在恒正压力和恒定切割深度两种破岩模式，所述缩尺寸刀圈的两种切割磨损工况通过所述伸缩油缸的锁死位移和恒定保压功能来实现；所述缩尺寸刀圈的恒定正压力根据真实TBM推进过程中的推力来确定，根据赫兹接触应力准则，只需要保证缩尺寸刀圈接触应力与工程中真实滚刀刀圈接触应力相等即可；
所述缩尺寸刀圈恒定切割深度确定方法也采用赫兹接触应力准则，其接触应力虽在时刻变化，但根据文献(Study of pressure distribution within the crushed zonein the contact area between rock and disc cutters)可知，存在基本接触应力，如下式所示：
式中，P0为刀圈基本接触应力，为刀圈与岩石的接触角，C为无量纲系数，对于常截面刀圈约为2.12，r滚刀刀圈半径；T为刀刃度；h为刀圈切割深度；S为刀间距，σc为岩石单轴抗压强度，σt为岩石抗拉强度；
需保证所述缩尺寸刀圈基本接触应力与工程中真实滚刀刀圈基本接触应力相等即可，则需满足下式：
式中，sa为所述缩尺寸刀圈刀间距，为所述缩尺寸刀圈与岩石的接触角，ra为所述缩尺寸刀圈半径，Ta为所述缩尺寸刀圈刀刃宽；sb为工程中真实滚刀刀圈刀间距，为工程中真实滚刀刀圈与岩石的接触角，rb为工程中真实滚刀刀圈半径，Tb为工程中真实滚刀刀圈刀刃宽；
结合式(6)和式(7)可以得到试验中所述缩尺寸刀圈所需切割深度。
(3)磨损时间确定。试验用所述缩尺寸刀圈磨损距离应与工程中真实滚刀刀圈磨损距离相等，因此需满足下式：
2πr2n2t2＝2πR2N2T2 (7)
则所述缩尺寸刀圈的实际磨损试验时间为：
式中，t2为所述缩尺寸刀圈磨损所需时间，T2为工程中真实滚刀刀圈磨损时间。
步骤二：缩尺寸刀圈安装和拆卸
所述缩尺寸刀圈的安装过程：首先将键安装在所述刀轴上，随后将所述缩尺寸刀圈沿轴向套到键上，并顶住所述刀轴的阶梯位置，随后将所述紧固螺母拧紧在所述刀轴上，将所述缩尺寸刀圈紧固；
所述缩尺寸刀圈的拆卸过程：首先拧松所述紧固螺母，并将其取下，随后轻轻用锤子将所述缩尺寸刀圈沿所述刀轴自由端敲击，并取出所述缩尺寸刀圈；
上述缩尺寸刀圈的安装和拆卸过程简单，无需拆装所述轴承，极大简化了刀圈磨损试验过程。
步骤三：试验过程操作方法
(1)将所述极硬岩试样置于所述料仓盒内，并通过螺栓紧固锁死；当需研究腐蚀性液体对滚刀刀圈磨损特性影响时，需往所述料仓盒内的岩石表面注入一定深度的腐蚀性液体，当只研究水射流对滚刀刀圈的磨损特性影响时，无需往所述料仓盒内的岩石表面注入腐蚀性液体；
(2)对磨损前的所述缩尺寸刀圈进行称重，并根据步骤一中设定的安装半径和步骤二中的所述缩尺寸刀圈安装方法，将所述缩尺寸刀圈安装在所述横梁对应的位置，并锁紧固定好；
(3)控制所述伸缩油缸，驱动所述横梁向所述极硬岩试样方向移动，直到所述缩尺寸刀圈达到试验所需的切割深度或正压力，所需的切割深度或正压力根据步骤一确定，并最终通过所述伸缩油缸的锁死功能，保证恒定切割深度或者恒定压力；
(4)当需研究水射流对滚刀刀圈的磨损特性研究时，通过调节所述横向喷头导轨、喷头支架、竖向喷头导轨，确定所述喷头与所述缩尺寸刀圈的相对位置，并调节好所需水射流的压力、流速等具体参数；
(5)启动所述三向力传感器和所述红外测温仪，准备实时测试所述缩尺寸刀圈的磨损载荷和温度场特点；
(6)根据步骤一设定的所述液压马达转速和磨损时间，启动所述液压马达，使所述液压马达保持恒定转速转动。当需研究水射流对滚刀刀圈的磨损特性影响时，启动所述液压马达的同时，需根据设定的水射流参数同时启动水射流泵站。当只研究腐蚀性液体对滚刀刀圈的磨损特性影响时，无需启动水射流泵站。最终实现水射流辅助和腐蚀性液体条件下或者两者耦合条件下的滚刀刀圈摩擦磨损试验；
(7)通过所述三向力传感器记录所述缩尺寸刀圈磨损过程中的三向载荷，并进一步计算出磨损过程中所述缩尺寸刀圈的摩擦系数。通过所述红外测温仪记录所述缩尺寸刀圈磨损过程中的温度场特点，可进一步分析所述缩尺寸刀圈的摩擦热效应；
(8)当达到步骤一所指定的磨损时间时，所述液压马达自动停止转动，刀圈磨损试验完成；按照步骤二的所述缩尺寸刀圈拆卸方法，将所述缩尺寸刀圈拆卸下来，对其称重并计算磨损量，随后将其放置于扫描电镜下方观测所述缩尺寸刀圈磨损形貌特征，分析其磨损形貌、磨损机理等。
与现有技术相比，本发明可以实现水射流辅助和腐蚀性液体条件下或者两者耦合条件下的缩尺寸刀圈切割极硬岩摩擦磨损试验，试验过程中缩尺寸刀圈的安装和拆卸非常方便简单，安装半径可连续调节，且装置结构稳定，可以克服极硬岩切割磨损下由于载荷过大引起装置侧翻等问题。同时，涉及的磨损试验装置及测试方法操作流程简单，可以直接获得刀圈磨损过程中的切割磨损载荷、刀圈温度场、磨损量以及刀圈磨损机理等特征，因此本发明可以很好的模拟工程中真实滚刀刀圈被动转动摩擦磨损特性，可为水射流和腐蚀液体条件下的滚刀刀圈磨损寿命预测及其耐磨性设计提供依据。
附图说明
附图1为本发明涉及的试验装置正面结构示意图；
附图2为极硬岩试样、耐磨滚子、支撑底座底盘局部剖分俯视示意图；
附图3为缩尺寸刀圈、轴承、刀架、喷头等部件联接区域的放大图；
附图4为横梁内部的燕尾槽结构示意图；
附图5为缩尺寸刀圈侧视图；
附图中：1-伸缩油缸，2-立体机架，3-三向力传感器，4-缩尺寸刀圈，5-红外测温仪，6-支撑底座外圈，7-极硬岩试样，8-耐磨滚子，9-支撑底座底盘，10-液体导管，11-液压马达，12-料仓盒，13-机架支撑筋，14-横梁，15-横梁支撑筋，16-轴承右端盖，17-刀轴，18-紧固螺母，19-横向喷头导轨，20-喷头支架，21-喷头，22-水射流导管，23-竖向喷头导轨，24-轴承左端盖，25-轴承，26-刀架，27-刀架支撑筋，28-联接板。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如附图1、图2和图3所示，水射流辅助和腐蚀性液体条件下的滚刀刀圈磨损试验装置由伸缩油缸1，立体机架2，三向力传感器3，缩尺寸刀圈4，红外测温仪5，支撑底座外圈6，极硬岩试样7，耐磨滚子8，支撑底座底盘9，液体导管10，液压马达11，料仓盒12，机架支撑筋13，横梁14，横梁支撑筋15，轴承右端盖16，刀轴17，紧固螺母18，横向喷头导轨19，喷头支架20，喷头21，水射流导管22，竖向喷头导轨23，轴承左端盖24，轴承25，刀架26，刀架支撑筋27，联接板28组成。
伸缩油缸1固定于立体机架2的中间位置，立体支架2直角转弯处采用机架支撑筋13加固，用于加强立体支2架整体力学强度和刚度，立体支架2下端紧固于地面上；伸缩油缸1通过其活塞杆与横梁14联接，在横梁14上关于伸缩油缸1对称布置有两个横梁支撑筋15，用于增强横梁14的整体力学强度和刚度；横梁14通过螺栓与联接板28联接，联接板28通过三向力传感器3与刀架26联接，横梁14内部开有燕尾槽结构，刀架26可随同联接板28沿燕尾槽滑动，以达到不同安装半径，并最终由螺栓锁死定位，燕尾槽结构如图4所示。
刀架26两侧布有刀架支撑筋27，可以提升所述刀架26的整体力学强度和刚度；刀架26内安装一对轴承25，刀架26左右两侧连有轴承左端盖24和轴承右端盖16，用于定位轴承25的外圈，轴承右端盖16与刀轴17之间布有密封环，用于阻断外界水或者腐蚀性液体进入轴承25；轴承25内圈与刀轴17过盈联接，刀轴17通过键和缩尺寸刀圈4联接，通过紧固螺母18拧在刀轴17上，用于紧固缩尺寸刀圈4，缩尺寸刀圈4可连同刀轴17和轴承25内圈转动；轴承25的外圈与刀架26内部过盈联接。
作为优选，缩尺寸刀圈4的直径尺寸约为真实滚刀刀圈的1/3，其直径为140mm，刀刃宽度为5mm，材料和热处理后的力学性能与真实滚刀刀圈一致，缩尺寸刀圈的侧视图如图5所示。
三向力传感器3、刀架26、刀轴17、缩尺寸刀圈4与紧固螺母18关于伸缩油缸1对称分布于横梁14上，缩尺寸刀圈4与极硬岩试样7接触，并通过伸缩油缸1可以保有恒定压力或者恒定切割深度。
如图3所示，刀架26正下方连有竖向喷头导轨23，横向喷头导轨19可在竖向喷头导轨23上上下移动，并最终被螺栓紧固定位；横向喷头导轨19开有燕尾槽结构，喷头支架20可在横向喷头导轨19上左右移动，并最终被螺栓紧固定位；喷头21联接在喷头支架20上，且喷头21可在喷头支架20上摆动任一角度，并最终由螺栓紧固定位，喷头支架20上可以安装不同结构形式的喷头21；总之，喷头20与缩尺寸刀圈4和极硬岩试样7的相对位置和相对角度可通过竖向喷头导轨23、横向喷头导轨19、喷头支架20控制调整。
极硬岩试样7和料仓盒12均为圆形，极硬岩试样7放置于料仓盒12内，并由四个对称分布的螺栓紧固。在具体实施时，极硬岩试样7各表面通过打磨机打磨平整，确保其放在料仓盒12内部时表面的水平度，便于缩尺寸刀圈4与极硬岩试样7平稳发生摩擦磨损；一般优选选用岩石抗压强度超过150MPa，直径为500mm，高度为100mm的岩石作为极硬岩试样。
料仓盒12的高度高于极硬岩试样7，一般高出极硬岩试样7表面50～100mm，便于储装极硬岩试样7表面的腐蚀性液体，腐蚀性液体一般是指TBM施工过程中遭遇到的海水、强酸液体、强碱液体以及其他对滚刀刀圈具有腐蚀性的液体介质；料仓盒12内表面涂有防腐蚀层，以保证料仓盒12不受腐蚀性液体损害；料仓盒12底部通过螺栓与液压马达11联接，液压马达11固定于地面；料仓盒12边缘底部与若干个耐磨滚子8接触，一般优选的耐磨滚子数量为12个，耐磨滚子8均匀布置于支撑底座底盘9的半球面凹槽内，凹槽内含有润滑油，支撑底座底盘9通过耐磨滚子8支撑住料仓盒12的边缘，当料仓盒12转动时，耐磨滚子8可在半球面凹槽内自由滚动，可以有效减小料仓盒12转动阻力的同时，还可以防止由于缩尺寸刀圈4切割磨损载荷过大引起料仓盒12侧翻等现象。
红外测温仪5固定联接于支撑底座外圈6上，并正对缩尺寸刀圈4的中心位置，可以实时采集试验过程中缩尺寸刀圈4表面整体温度分布特征；支撑底座外圈6与支撑底座底盘9的联接处开有一个排液孔，排液孔连有液体导管10，用于排出水射流辅助缩尺寸刀圈4摩擦试验时溢出的水射流液体或者腐蚀性液体。
通过伸缩油缸1的活塞杆伸缩移动控制实现缩尺寸刀圈4的竖直方向上下移动，且伸缩油缸1具有锁死位移和保持恒定压力的功能，可以保证缩尺寸刀圈4与极硬岩试样7磨损过程中的恒定压力或者恒定切割深度；通过液压马达11的驱动，实现料仓盒12和极硬岩试样7的匀速转动，液压马达11的转速可以无级调节，一般优选液压马达11最大转速在二十圈每分钟。
三向力传感器3用于测试水射流辅助和腐蚀性液体条件下的缩尺寸刀圈4磨损三向载荷数据，计算出切向载荷和垂直载荷的比值，可以得到滚刀刀圈切割磨损岩石的摩擦系数。
具体测试方法步骤：
步骤一：缩尺寸刀圈摩擦磨损参数设置
(1)安装半径和转速确定。对于缩尺寸刀圈4或者真实刀圈，其对应的被动转速和绕横梁14中心或者刀盘中心的转速的关系如下两式所示；
n1r1＝n2r2 (1)
N1R1＝N2R2 (2)
式中，n1为缩尺寸刀圈4被动转速，r1为缩尺寸刀圈4半径，n2为横梁14转速，r2为缩尺寸刀圈4在横梁14上的安装半径；N1为工程中真实滚刀刀圈被动转速，R1为工程中真实滚刀刀圈半径，N2为工程中真实刀盘转速，R2为工程中真实滚刀在刀盘上的安装半径；
为了较好模拟工程中真实滚刀刀圈摩擦情况，需满足下式：
n1＝N1 (3)
则得到下式：
在具体实施时，为了加快磨损试验进程，设定横梁14转速n2大于工程中真实刀盘转速N2，且为其整数倍，则可以大大减小缩尺寸刀圈4的安装半径，进而极大缩小刀圈磨损试验装置整体尺寸。例如，缩尺寸刀圈4为工程中真实滚刀刀圈的1/3，即r1/R1＝1/3，工程中滚刀安装半径R2为3m时，设定横梁14转速n2是工程中真实刀盘转速N2的5倍，则缩尺寸刀圈4的安装半径r2仅为0.2m，试验中的按照半径得到了极大减小。
(2)刀圈正压力和切割深度确定。在模拟滚刀刀圈恒定正压力或恒定切割深度下的磨损试验时，由伸缩油缸1分别通过恒定保压或锁死位移功能来实现；
缩尺寸刀圈4的恒定正压力根据真实TBM推进过程中的推力来确定，根据赫兹接触应力准则，只需要保证缩尺寸刀圈4的接触应力与工程中真实滚刀刀圈接触应力相等即可；
缩尺寸刀圈4恒定切割深度确定方法也采用赫兹接触应力准则，其接触应力虽在时刻变化，但根据文献(Study of pressure distribution within the crushed zone inthe contact area between rock and disc cutters)可知，存在基本接触应力，如下式所示：
式中，P0为刀圈基本接触应力，为刀圈与岩石的接触角，C为无量纲系数，对于常截面刀圈约为2.12，r滚刀刀圈半径；T为刀刃度；h为刀圈切割深度；S为刀间距，σc为岩石单轴抗压强度，σt为岩石抗拉强度；
需保证缩尺寸刀圈4的基本接触应力与工程中真实滚刀刀圈基本接触应力相等即可，则需满足下式：
式中，sa为缩尺寸刀圈4刀间距，为缩尺寸刀圈4与岩石的接触角，ra为缩尺寸刀圈4半径，Ta为缩尺寸刀圈4刀刃宽；sb为工程中真实滚刀刀圈刀间距，为工程中真实滚刀刀圈与岩石的接触角，rb为工程中真实滚刀刀圈半径，Tb为工程中真实滚刀刀圈刀刃宽。
这里，通过上述式(6)和式(7)可以得到试验中缩尺寸刀圈4所需切割深度，以模拟工程中真实滚刀刀圈的切割深度。例如，当工程中真实滚刀半径为216mm，刀刃宽为17.8mm，切割深度为8mm，刀间距为80mm时，而试验中所用缩尺寸刀圈4的半径为70mm，刀刃宽为5mm，刀间距为15mm，根据上述两式，求出试验条件下的缩尺寸刀圈4的切割深度为1mm。
(3)磨损时间确定。试验用缩尺寸刀圈4的磨损距离应与工程中真实滚刀刀圈磨损距离相等，则需满足下式：
2πr2n2t2＝2πR2N2T2 (7)
则单次缩尺寸刀圈4的磨损试验时间为：
式中，t2为缩尺寸刀圈4磨损所需时间，T2为工程中真实滚刀刀圈磨损时间。例如工程中真实滚刀刀圈磨损时间为1小时，工程中真实滚刀刀圈的安装半径R2为3m，缩尺寸刀圈4的安装半径r2设定为0.2m，设定横梁14转速n2是工程中真实刀盘转速N2的5倍，则试验用的磨损时间为3小时。
步骤二：缩尺寸刀圈安装和拆卸
缩尺寸刀圈4的安装过程：首先将键安装在刀轴17上，随后将缩尺寸刀圈4沿轴向套到键上，并顶住刀轴17的阶梯位置，定好位置后，将紧固螺母18拧紧在刀轴17上，实现缩尺寸刀圈4的紧固；
缩尺寸刀圈4的拆卸过程：首先拧松紧固螺母18，并将其取下，随后轻轻用锤子将缩尺寸刀圈4沿刀轴17自由端敲击，并取出缩尺寸刀圈4。
上述缩尺寸刀圈4的安装和拆卸过程简单，无需拆装轴承25，极大简化了刀圈磨损试验过程。
步骤三：试验过程操作方法
(1)将极硬岩试样7置于料仓盒12内，并通过螺栓紧固锁死；当需研究腐蚀性液体对滚刀刀圈磨损特性影响时，需往料仓盒12内的岩石表面注入一定深度的腐蚀性液体，一般优选覆盖的腐蚀性液体深度高出极硬岩试样7表面20～30mm。当只研究水射流对滚刀刀圈的磨损特性影响时，无需往料仓盒12内的岩石表面注入腐蚀性液体；
(2)对磨损前的缩尺寸刀圈4进行称重，并根据步骤一中设定的安装半径和步骤二中的缩尺寸刀圈4的安装方法，将缩尺寸刀圈4安装在横梁14对应的位置，并锁紧固定好；
(3)控制伸缩油缸1，驱动横梁14向极硬岩试样7方向移动，直到缩尺寸刀圈4达到试验所需的切割深度或正压力，所需的切割深度或正压力根据步骤一确定，并最终通过伸缩油缸1的锁死功能，保证恒定切割深度或者恒定压力；
(4)当需研究水射流对滚刀刀圈的磨损特性研究时，通过调节横向喷头导轨19、喷头支架20、竖向喷头导轨23，确定喷头21与缩尺寸刀圈4的相对位置，并调节好所需水射流的压力、流速等具体参数；
(5)联接三向力传感器3和外部动态应变仪，并启动三向力传感器3、动态应变仪和红外测温仪5，准备实时测试缩尺寸刀圈4的磨损载荷和温度场特点；
(6)根据步骤一种设定的液压马达11转速和磨损时间，启动液压马达11，使液压马达11保持恒定转速转动；当需研究水射流对滚刀刀圈的磨损特性影响时，启动液压马达11的同时，需根据设定的水射流参数同时启动水射流泵站；当只研究腐蚀性液体对滚刀刀圈的磨损特性影响时，无需启动水射流泵站。最终实现水射流辅助和腐蚀性液体条件下或者两者耦合条件下的缩尺寸刀圈4的摩擦磨损试验；
(7)通过三向力传感器3记录缩尺寸刀圈4切割磨损过程中的三向载荷，并进一步计算出磨损过程中缩尺寸刀圈4的摩擦系数，在具体实施时，参考下式计算摩擦系数；通过红外测温仪5记录缩尺寸刀圈4磨损过程中的温度场特点，可进一步分析缩尺寸刀圈4的摩擦热效应；
式中，μ为摩擦系数，Fr为切向载荷，Fv为垂直载荷；
(8)当达到步骤一所指定的磨损时间时，液压马达11自动停止转动，刀圈磨损试验完成。按照步骤二的缩尺寸刀圈4的拆卸方法，将缩尺寸刀圈4拆卸下来，对其称重，结合步骤(2)中的初始称重，计算出缩尺寸刀圈4的磨损量，随后将其放置于扫描电镜下方观测缩尺寸刀圈4的磨损形貌特征，分析其磨损形貌、磨损机理等；
上面结合附图对本发明的实施方式进行了详细说明，但本发明并不限于上述实施方式。对于熟悉本领域的人员而言，可容易实现本发明专利其他结构设计和测试方法的修改。因此，在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出的图例。
Claims (7)
1.一种水射流和腐蚀液体下刀圈磨损试验装置，其特征在于：由伸缩油缸(1)，立体机架(2)，三向力传感器(3)，缩尺寸刀圈(4)，红外测温仪(5)，支撑底座外圈(6)，极硬岩试样(7)，耐磨滚子(8)，支撑底座底盘(9)，液体导管(10)，液压马达(11)，料仓盒(12)，机架支撑筋(13)，横梁(14)，横梁支撑筋(15)，轴承右端盖(16)，刀轴(17)，紧固螺母(18)，横向喷头导轨(19)，喷头支架(20)，喷头(21)，水射流导管(22)，竖向喷头导轨(23)，轴承左端盖(24)，轴承(25)，刀架(26)，刀架支撑筋(27)，联接板(28)组成；
伸缩油缸(1)固定于立体机架(2)的中间位置，立体支架(2)直角转弯处采用机架支撑筋(13)加固，立体支架(2)下端紧固于地面上；伸缩油缸(1)通过其活塞杆与横梁(14)联接，在横梁(14)上关于伸缩油缸(1)对称布置有两个横梁支撑筋(15)，横梁(14)通过螺栓与联接板(28)联接，联接板(28)通过三向力传感器(3)与刀架(26)联接；
刀架(26)两侧布有刀架支撑筋(27)，刀架(26)内安装一对轴承(25)，轴承(25)内圈连有刀轴(17)，刀轴上装有缩尺寸刀圈(4)，缩尺寸刀圈(4)与极硬岩试样(7)接触；横梁上关于伸缩油缸对称布有两套缩尺寸刀圈(4)、刀架(26)、三向力传感器(3)等部件；
刀架(26)正下方连有竖向喷头导轨(23)，在竖向喷头导轨(23)上连有横向喷头导轨(19)，横向喷头导轨(19)连有喷头支架(20)，喷头(21)联接在喷头支架(20)上；
极硬岩试样(7)放置于料仓盒(12)内，并由四个对称分布的螺栓紧固；料仓盒(12)的高度高于极硬岩试样(7)，料仓盒(12)内表面涂有防腐蚀层；料仓盒(12)底部通过螺栓与液压马达(11)联接，液压马达(11)固定于地面；
红外测温仪(5)固定联接于支撑底座外圈(6)上，并正对缩尺寸刀圈(4)的中心位置；支撑底座外圈(6)与支撑底座底盘(9)的联接处开有一个排液孔，排液孔连有液体导管(10)。
2.根据权利要求1所述的一种水射流和腐蚀液体下刀圈磨损试验装置，其特征在于：横梁(14)内部开有燕尾槽结构，刀架(26)可随同联接板(28)沿燕尾槽滑动，以达到不同安装半径，并可由螺栓锁死定位。
3.根据权利要求1所述的一种水射流和腐蚀液体下刀圈磨损试验装置，其特征在于：刀架(26)左右两侧连有轴承左端盖(24)和轴承右端盖(16)，用于定位轴承(25)的外圈，轴承右端盖(16)与刀轴(17)之间布有密封环；轴承(25)内圈与刀轴(17)过盈联接，刀轴(17)通过键和缩尺寸刀圈(4)联接，通过紧固螺母(18)拧在刀轴(17)上，用于紧固缩尺寸刀圈(4)，缩尺寸刀圈(4)可连同刀轴(17)和轴承(25)内圈转动；轴承(25)的外圈与刀架(26)内部过盈联接。
4.根据权利要求1所述的一种水射流和腐蚀液体下刀圈磨损试验装置，其特征在于：横向喷头导轨(19)可在竖向喷头导轨(23)上上下移动，并可被螺栓紧固定位；横向喷头导轨(19)开有燕尾槽结构，喷头支架(20)可在横向喷头导轨(19)上左右移动，并可被螺栓紧固定位；喷头(21)可在喷头支架(20)上摆动任一角度，并可由螺栓紧固定位，喷头支架(20)上可以安装不同结构形式的喷头(21)。
5.根据权利要求1所述的一种水射流和腐蚀液体下刀圈磨损试验装置，其特征在于：料仓盒(12)边缘底部与若干个耐磨滚子(8)接触，耐磨滚子(8)均匀布置于支撑底座底盘(9)的半球面凹槽内，支撑底座底盘(9)通过耐磨滚子(8)支撑住料仓盒(12)的边缘。
6.根据权利要求1所述的一种水射流和腐蚀液体下刀圈磨损试验装置，其特征在于：红外测温仪(5)用于实时监测缩尺寸刀圈(4)的表面整体温度特征；伸缩油缸(1)具有锁死位移和保持恒定压力的功能；液压马达(11)的转速可以无级调节；三向力传感器(3)可以实时监测缩尺寸刀圈(4)的切割磨损三向载荷数据。
7.一种水射流和腐蚀液体下刀圈磨损试验装置测试方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：缩尺寸刀圈摩擦磨损参数设置
1)安装半径和转速确定
对于缩尺寸刀圈(4)或者真实刀圈，其对应的被动转速和绕横梁(14)中心或者刀盘中心的转速的关系如下两式所示；
n1r1＝n2r2 (1)
N1R1＝N2R2 (2)
式中，n1为缩尺寸刀圈(4)被动转速，r1为缩尺寸刀圈(4)半径，n2为横梁(14)转速，r2为缩尺寸刀圈(4)在横梁(14)上的安装半径；N1为工程中真实滚刀刀圈被动转速，R1为工程中真实滚刀刀圈半径，N2为工程中真实刀盘转速，R2为工程中真实滚刀在刀盘上的安装半径；
为了较好模拟工程中真实滚刀刀圈摩擦情况，需满足下式：
n1＝N2 (3)
则得到下式：
2)刀圈正压力和切割深度确定
缩尺寸刀圈(4)的恒定正压力根据真实TBM推进过程中的推力来确定，根据赫兹接触应力准则，只需要保证缩尺寸刀圈(4)的接触应力与工程中真实滚刀刀圈接触应力相等即可；
缩尺寸刀圈(4)恒定切割深度确定方法也采用赫兹接触应力准则，根据基本接触应力公式计算方法，如下式所示：
式中，P0为刀圈基本接触应力，为刀圈与岩石的接触角，C为无量纲系数，对于常截面刀圈约为2.12，r滚刀刀圈半径；T为刀刃度；h为刀圈切割深度；S为刀间距，σc为岩石单轴抗压强度，σt为岩石抗拉强度；
需保证缩尺寸刀圈(4)的基本接触应力与工程中真实滚刀刀圈基本接触应力相等即可，则需满足下式：
式中，sa为缩尺寸刀圈(4)刀间距，为缩尺寸刀圈(4)与岩石的接触角，ra为缩尺寸刀圈(4)半径，Ta为缩尺寸刀圈(4)刀刃宽；sb为工程中真实滚刀刀圈刀间距，为工程中真实滚刀刀圈与岩石的接触角，rb为工程中真实滚刀刀圈半径，Tb为工程中真实滚刀刀圈刀刃宽；
3)磨损时间确定
试验用缩尺寸刀圈(4)的磨损距离应与工程中真实滚刀刀圈磨损距离相等，则需满足下式：
2πr2n2t2＝2πR2N2T2 (7)
单次缩尺寸刀圈(4)的磨损试验时间为：
式中，t2为缩尺寸刀圈(4)磨损所需时间，T2为工程中真实滚刀刀圈磨损时间；
步骤二：缩尺寸刀圈安装和拆卸
缩尺寸刀圈(4)的安装过程：首先将键安装在刀轴(17)上，随后将缩尺寸刀圈(4)沿轴向套到键上，并顶住刀轴(17)的阶梯位置，定好位置后，将紧固螺母(18)拧紧在刀轴(17)上，实现缩尺寸刀圈(4)的紧固；
缩尺寸刀圈(4)的拆卸过程：首先拧松紧固螺母(18)，并将其取下，随后轻轻用锤子将缩尺寸刀圈(4)沿刀轴(17)自由端敲击，并取出缩尺寸刀圈(4)；
步骤三：试验过程操作方法
1)将极硬岩试样(7)置于料仓盒(12)内，并通过螺栓紧固锁死；当需研究腐蚀性液体对滚刀刀圈磨损特性影响时，需往料仓盒(12)内的岩石表面注入一定深度的腐蚀性液体；当只研究水射流对滚刀刀圈的磨损特性影响时，无需往料仓盒(12)内的岩石表面注入腐蚀性液体；
2)对磨损前的缩尺寸刀圈(4)进行称重，并根据步骤一中设定的安装半径和步骤二中的缩尺寸刀圈(4)的安装方法，将缩尺寸刀圈(4)安装在横梁(14)对应的位置，并锁紧固定好；
3)控制伸缩油缸(1)，驱动横梁(14)向极硬岩试样(7)方向移动，直到缩尺寸刀圈(4)达到试验所需的切割深度或正压力，所需的切割深度或正压力根据步骤一确定，并最终通过伸缩油缸(1)的锁死功能，保证恒定切割深度或者恒定压力；
4)当需研究水射流对滚刀刀圈的磨损特性研究时，通过调节横向喷头导轨(19)、喷头支架(20)、竖向喷头导轨(23)，确定喷头(21)与缩尺寸刀圈(4)的相对位置，并调节好所需水射流的压力、流速等具体参数；
5)联接三向力传感器(3)和外部动态应变仪，并启动三向力传感器(3)、动态应变仪和红外测温仪(5)，准备实时测试缩尺寸刀圈(4)的磨损载荷和温度场特点；
6)根据步骤一种设定的液压马达(11)转速和磨损时间，启动液压马达(11)，使液压马达(11)保持恒定转速转动；当需研究水射流对滚刀刀圈的磨损特性影响时，启动液压马达(11)的同时，需根据设定的水射流参数同时启动水射流泵站；当只研究腐蚀性液体对滚刀刀圈的磨损特性影响时，无需启动水射流泵站；最终实现水射流辅助和腐蚀性液体条件下或者两者耦合条件下的缩尺寸刀圈(4)的摩擦磨损试验；
7)通过三向力传感器(3)记录缩尺寸刀圈(4)切割磨损过程中的三向载荷，并进一步计算出磨损过程中缩尺寸刀圈(4)的摩擦系数；通过红外测温仪(5)记录缩尺寸刀圈(4)磨损过程中的温度场特点，可进一步分析缩尺寸刀圈(4)的摩擦热效应；
8)当达到步骤一所指定的磨损时间时，液压马达(11)自动停止转动，刀圈磨损试验完成；按照步骤二的缩尺寸刀圈(4)的拆卸方法，将缩尺寸刀圈(4)拆卸下来，对其称重，结合步骤2)中的初始称重，计算出缩尺寸刀圈(4)的磨损量，随后将其放置于扫描电镜下方观测缩尺寸刀圈(4)的磨损形貌特征，分析其磨损形貌、磨损机理等。
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