CN112730134A - 一种破岩刀具材料-密实核物质对磨试验方法 - Google Patents

Abstract

一种破岩刀具材料‑密实核物质对磨试验方法，包括如下步骤：S1：获取与刀圈摩擦磨损性能相关的基本信息；S2：获取岩粉试样的组成成分和物理力学参数；S3：获取滚刀切深h下滚压破岩时与刀圈摩擦磨损性能相关参数；S4：制备出探针；S5：向岩粉试样加载，使得岩粉试样的应力水平达到刀圈刃底密实核区应力水平P_field；S6：探针以给定正压力N垂直贯入岩粉试样；S7：驱动探针滑擦岩粉试样一定距离L；S8：记录并分析试验现象与结果。本发明能精确测量出探针与密实核粉对磨后质量损失的变化情况、具有与所研究滚刀的实际工况较高的相似性。

Description

一种破岩刀具材料-密实核物质对磨试验方法

技术领域

本发明属于机械工程、岩土工程和隧道工程的交叉领域，涉及一种破岩刀具材料-密实核物质对磨试验方法，尤其涉及一种考虑密实核物质对刃底研磨滑擦作用的破岩刀具材料-密实核物质对磨试验方法。

背景技术

包括滚刀、切刀、钻头、镐齿等在内的广义破岩刀具被广泛应用于机械工程、岩土工程和隧道工程中，其中：盘形滚刀(以下简称滚刀)被用于切削破碎硬岩，是全断面硬岩隧道掘进机(Tunneling boring machine，以下简称TBM)和盾构的主要破岩刀具；切刀被用于切削软岩与土壤，是盾构的主要破岩(土)刀具。由于地层地质条件恶劣多变，使得上述破岩刀具的破岩机理十分复杂，但挤压破岩是最为常见且广泛的一种破岩刀具的破岩机理之一。

以TBM滚刀为例，具体而言，滚刀借助刀圈直接接触并滚压切割岩石，并通过施加巨大的挤压应力，使得岩石被高度粉末化和致密化，进而在刃底形成了与钻进、冲击式凿岩和截齿截割等过程相似的密实核；在滚刀持续回转滚压破岩过程中，刃底的密实核物质周期性地衍生-发育-溃散。

正如前述挤压破岩机理的常见，导致密实核现象广泛存在于上述破岩刀具的破岩过程中，其动态衍生机制无疑直接影响了破岩刀具的破岩机理，并改变了刀具-岩石相互作用的边界条件，也即在初始状态下，滚刀与完整新鲜岩体开始接触，但在相对稳定的持续回转滚压破岩过程中，与刃底接触的不再是完整新鲜岩体，而是密实核物质。另据苏联专家A.H.别隆在煤炭开采工程中提出的密实核理论推断可知，密实核现象至少对滚刀刀圈的摩擦磨损性能产生了重大影响，使得刀岩接触界面上产生了极端不利的接触力特性，严重缩短滚刀磨损使用寿命。

然而，由于目前既缺少可行的物理试验装置来模拟再现密实核区内密实核物质对破岩刀具刃底产生的持续的研磨滑擦作用，又缺乏合理的刀岩对磨试验方法来定量且专注地研究密实核物质对破岩刀具刃底产生的持续的研磨滑擦作用过程，导致现有有关滚刀刀圈材料摩擦磨损机理的研究中，均未将密实核现象纳入考察。

因此，提供一种经济便捷且满足工程要求的破岩刀具材料-密实核物质对磨试验方法，尤其涉及一种考虑密实核物质对刃底研磨滑擦作用的破岩刀具材料-密实核物质对磨试验方法，是业界急需解决的问题。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种破岩刀具材料-密实核物质对磨试验方法，包括如下步骤：

S1：获取与所研究的滚刀刀圈(以下简称刀圈)摩擦磨损性能相关的基本信息，包括但不限于刀盘滚刀安装尺寸参数(滚刀安装半径R_i，滚刀刀间距S_c)、刀圈轮廓尺寸参数(刀圈外径R_c等刀圈外形尺寸参数，刀圈刃宽B_c、刀刃角θ_c，刀刃过渡圆弧半径r_c等刀圈刃形截面尺寸参数)、切削参数(刀盘转速n、切深h)，刀圈的材质成分和物理力学性能参数(密度、泊松比、弹性模量、冲击韧性、屈服强度、硬度H等)，岩石的物理力学性能参数(密度、泊松比、弹性模量、抗拉强度σ_t、抗压强度σ_c、抗剪强度)；

S2：采集所研究的滚刀实际施工现场或者切削试验现场的密实核区内的岩粉试样，获取岩粉试样的组成成分和物理力学参数(包括粒径、含水率、密度等)；

S3：采用包括但不限于理论、仿真与试验手段中的至少一种，基于S1中获取的基本信息，获取滚刀切深h下滚压破岩时与刀圈摩擦磨损性能相关的动力学特性参数，包括但不限于刀圈刃底密实核区应力水平P_field、刀圈圆周线速度ν；

S4：制备出与S1中所获刀圈的材质成分和物理力学性能参数均相同的探针；

S5：将S2中采集的岩粉试样装填至加载头与空腔之间的容腔内，再利用加载头向岩粉试样施加挤压载荷，使得岩粉试样的应力水平达到刀圈刃底密实核区应力水平P_field；

S6：探针以给定正压力N垂直贯入岩粉试样，N满足下式(3)，以使得探针-岩粉试样之间的接触应力达到刀圈刃底密实核区应力水平P_field；

N＝A·P_field (3)

式中，A为探针与岩粉试样的接触面积；

作为优选，S4中制备的探针的式样包括但不限于如下式样中的一种：圆柱体、末端带有顶尖的圆柱体、末端带有锥台的圆柱体、末端带有过渡球头的圆柱体；

S7：驱动探针水平且周期性地往复滑擦岩粉试样至一定距离(标注为滑擦距离L)，滑擦速度v₁与刀圈圆周线速度ν相同，L与ν满足下式(3)：

式中，t为滑擦时间；

作为优选，S4中，仅要求探针具有与刀圈相同的元素成分，且探针各组成元素成分的平均质量分数在刀圈相对应元素的质量分数的统计范围内；要求探针的平均硬度在刀圈刃部硬度的统计范围内；

作为优选，从刀圈切削现场采集岩石试样，利用球磨机将岩石试样研磨成S2中所采集的岩粉试样具有相同物理力学参数的近似岩粉试样；

作为优选，仅要求近似岩粉试样具有与S2中所采集的岩粉试样相同的平均粒径大小；

S8：记录并分析试验现象与结果；

作为优选，S8中包括但不限于记录并分析如下项目：

1)测量S7中探针摩擦力f，并由下式计算摩擦系数μ：

f＝μN (5)

2)测量S7前后探针的质量损失Δm₀，并按下式计算单位滑擦距离下探针质量损失率v_m：

3)测量S7前后探针末端的微观形貌，分析破岩刀具材料-密实核物质对磨磨损失效机理；

4)按下式拟合获得滑擦速度v₁对摩擦系数μ的影响规律：

式中，a，b，c和d为由探针材质成分、探针-岩粉试样接触载荷决定的常数；

作为优选，S8中还包括分析如下项目：

研究岩粉试样的组成成分、岩粉试样的物理力学参数、刀圈刃底密实核区应力水平P_field、刀圈圆周线速度ν和正压力N对探针质量损失率v_m和摩擦系数μ的影响规律；

更为优选，S8中还包括分析如下项目：

基于Archard理论模型，由下式(8)可推导获得磨损系数K；

式中，H为探针硬度。

相对于现有技术，本发明的有益之处在于：

1)本发明提供的刀岩对磨试验方法，能精确测量出探针与密实核粉对磨后的质量变化。

2)本发明提供的刀岩对磨试验方法，具有与所研究滚刀的实际工况较高的相似性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明装置进行进一步说明。

图1为本发明一种破岩刀具材料摩擦磨损试验装置的三维结构示意图。

图2为本发明一种破岩刀具材料摩擦磨损试验装置另一视角下的三维结构示意图。

图3为在图1基础上获得的立体剖视图。

图4为图1中底座的三维结构示意图。

图5为图1中上压模的三维结构示意图。

图6为本发明破岩刀具材料-密实核物质对磨试验方法的流程图。

图7为探针侵入密实核粉的有限元模型图。

图8为不同探针头侵入密实核粉的对比图。

主要元件符号说明

1	底座
		11	加载头
2	上压模
		21	空腔
22	狭缝
		3	探针安装滑台
32	探针

具体实施方式

本发明提供了一种破岩刀具材料-密实核物质对磨试验方法，包括如图5所示如下步骤：

S1：获取与所研究的滚刀刀圈(以下简称刀圈)摩擦磨损性能相关的基本信息，包括但不限于刀盘滚刀安装尺寸参数(滚刀安装半径R_i，滚刀刀间距S_c)、刀圈轮廓尺寸参数(刀圈外径R_c等刀圈外形尺寸参数，刀圈刃宽B_c、刀刃角θ_c，刀刃过渡圆弧半径r_c等刀圈刃形截面尺寸参数)、切削参数(刀盘转速n、切深h)，刀圈的材质成分和物理力学性能参数(密度、泊松比、弹性模量、冲击韧性、屈服强度、硬度等)，岩石的物理力学性能参数(密度、泊松比、弹性模量、抗拉强度σ_t、抗压强度σ_c、抗剪强度)；

S2：采集所研究的滚刀实际施工现场或者切削试验现场的密实核区内的岩粉试样，获取岩粉试样的组成成分和物理力学参数(包括粒径、含水率、密度等)；例如，采用显微镜观测密实核区内的岩粉试样的粒度分布情况，并计算出平均粒度；

S3：采用包括但不限于理论、仿真与试验手段中的至少一种，基于S1中获取的基本信息，获取滚刀切深h下滚压破岩时与刀圈摩擦磨损性能相关的动力学特性参数，包括但不限于刀圈刃底密实核区应力水平P_field、刀圈圆周线速度ν；更为具体地，本例中，可采用仿真分析手段获得的，例如采用ANSYS/LS-DYNA、Abaqus等瞬态非线性动力学软件仿真获得滚刀滚压破岩时刀圈刃底接触应力水平P_field、刀圈垂向切削力F_v、刀圈圆周线速度v，也可采用理论分析手段获得，例如引用下式(1)中所示的有关钝刀侵岩后密实核区压力来计算获得P_field；该模型中假定密实核区处于静水压状态，也即在密实核区内压强均相等；

S4：制备出与S1中所获刀圈的材质成分和物理力学性能参数均相同的探针；本例中，采用刀圈常用材料H13钢制备探针；

S5：将S2中采集的岩粉试样装填至加载头与空腔之间的容腔内，再利用加载头向岩粉试样施加挤压载荷，使得岩粉试样的应力水平达到刀圈刃底密实核区应力水平P_field，用以模拟密实核区内岩粉所处的围压状态，也即模拟密实核物质(也即具有刀圈刃底密实核区应力水平P_field的岩粉)；本例中，P_field按下式(2)施加：

式中，F_t为单根螺栓的预紧拉力，A₁为加载头的面积；

S6：探针以给定正压力N垂直贯入岩粉试样，N满足下式(3)，以使得探针-岩粉试样之间的接触应力达到刀圈刃底密实核区应力水平P_field；这样一来，探针在竖直方向上可相对岩粉试样的表面保持静止；

N＝A·P_field (3)

式中，本例中，N＝(m+m₀)g；A为探针与岩粉试样的接触面积；m和m₀分别为砝码质量与探针质量；

更为具体地，本例中，采用破岩刀具材料-密实核物质对磨试验装置来具体执行S6这一步骤。如图1至图4所示，破岩刀具材料-密实核物质对磨试验装置，包括底座1、上压模2、探针安装滑台3、探针32、动力传动***，其中：

底座1的上部中心位置处垂向设置有加载头11；

上压模2位于底座1的正上方；上压模2的下部中心位置处向内开设有空腔21；如图5所示，上压模2的上部中心位置处开设有与空腔21相连通的狭缝22；在给定拉力作用下，上压模2沿加载头11长度方向垂向向下压紧底座1，探针安装滑台3沿着狭缝22的长度方向，在上压模2的正上方往复自由地运动；探针安装滑台3顶部开设有探针通孔；探针32的下端依次活动地穿过探针通孔和狭缝22，再与岩粉接触，并向探针下方的岩粉施加给定的正压力N；

动力传动***驱动探针安装滑台3相对上压模2作往复移动，从而模拟处于给定围压应力状态下的岩粉按给定的正压力N反复研磨滑擦滚刀刃底材料；

作为优选，S4中制备的探针的式样包括但不限于如下式样中的一种：如图7所示依次为圆柱体、末端带有顶尖的圆柱体、末端带有锥台的圆柱体、末端带有过渡球头的圆柱体；

S7：驱动探针水平且周期性地往复滑擦岩粉试样至一定距离(标注为滑擦距离L)，滑擦速度v₁与刀圈圆周线速度ν相同，L与ν满足下式(4)：

式中，t为滑擦时间；

作为优选，考虑到刀圈的材质成分和物理力学性能存在波动，以及制备出的探针之间也存在差异，为了简化探针的制备流程和测试标定时间，S4中，仅要求探针具有与刀圈相同的元素成分，且探针各组成元素成分的平均质量分数在刀圈相对应元素的质量分数的统计范围内；要求探针的平均硬度在刀圈刃部硬度的统计范围内；这样一来，近似保证破岩刀具材料-密实核物质对磨试验中所采用的岩粉试样与实际工况中滚刀滚压破岩时刃底密实核区的岩粉具有相同的组成成分和物理力学特性；

作为优选，考虑到S2中采集的岩粉试样量较少，不足以满足大批次试验需求，从刀圈切削现场采集岩石试样，利用球磨机将岩石试样研磨成S2中所采集的岩粉试样具有相同物理力学参数的近似岩粉试样；

作为优选，为了进一步简化近似岩粉试样的制备工艺流程，降低制备成本，仅要求近似岩粉试样具有与S2中所采集的岩粉试样相同的平均粒径大小；

S8：记录并分析试验现象与结果；

作为优选，S8中包括但不限于记录并分析如下项目：

1)测量S7中探针摩擦力f，并由下式计算摩擦系数μ：

f＝μN (5)

2)测量S7前后探针的质量损失Δm₀，并按下式计算单位滑擦距离下探针质量损失率v_m：

3)测量S7前后探针末端的微观形貌，分析破岩刀具材料-密实核物质对磨磨损失效机理。

4)按下式拟合获得滑擦速度v₁对摩擦系数μ的影响规律：

式中，a，b，c和d为由探针材质成分、探针-岩粉试样接触载荷决定的常数；

作为优选，S8中还包括分析如下项目：

研究岩粉试样的组成成分、岩粉试样的物理力学参数、刀圈刃底密实核区应力水平P_field、刀圈圆周线速度ν和正压力N对探针质量损失率v_m和摩擦系数μ的影响规律；

更为优选，S8中还包括分析如下项目：

基于Archard理论模型，由下式(7)可推导获得磨损系数K，用于研究实际工况中不同的滑动材料和不同的摩擦条件之间的影响规律；

式中，H为探针，也即刀圈硬度，具体为布氏硬度值；其他同上。

相对于现有技术，本发明的有益之处在于：

1)本发明提供的刀岩对磨试验方法，保证了能精确测量出探针与密实核粉对磨后质量损失的变化情况。

2)本发明提供的刀岩对磨试验方法，具有与所研究滚刀的实际工况较高的相似性；具体表现为：刀圈材质与物理力学特性相似、岩石的物理力学性能参数相似。

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

在本发明所提供的工作原理中，应该理解到，所揭露的部件和结构，可以通过其它的方式实现。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换都不是脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种破岩刀具材料-密实核物质对磨试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：获取与刀圈摩擦磨损性能相关的基本信息，包括但不限于刀盘滚刀安装尺寸参数、刀圈轮廓尺寸参数、切削参数、刀圈的材质成分和物理力学性能参数，岩石的物理力学性能参数；

S2：采集岩粉试样，获取岩粉试样的组成成分和物理力学参数；

S3：采用包括但不限于理论、仿真与试验手段中的至少一种，基于S1中获取的基本信息，获取滚刀切深h下滚压破岩时与刀圈摩擦磨损性能相关的动力学特性参数，包括但不限于刀圈刃底密实核区应力水平P_field、刀圈圆周线速度ν；

S4：制备出与S1中所获刀圈的材质成分和物理力学性能参数均相同的探针；

S5：向岩粉试样加载，使得岩粉试样的应力水平达到刀圈刃底密实核区应力水平P_field；

S6：探针以给定正压力N垂直贯入岩粉试样，N满足下式(2)：

N＝A·P_field (2)

式中，A为探针与岩粉试样的接触面积；

S7：驱动探针以滑擦速度v₁水平且周期性地往复滑擦岩粉试样，滑擦距离为L；

S8：记录并分析试验现象与结果。

2.根据权利要求1所述的一种破岩刀具材料-密实核物质对磨试验方法，其特征在于：S2中所采集的岩粉试样来自所研究的滚刀实际施工现场、滚刀切削试验现场的密实核区内。

3.根据权利要求1所述的一种破岩刀具材料-密实核物质对磨试验方法，其特征在于：S4中制备的探针的式样包括但不限于如下式样中的一种：圆柱体、末端带有顶尖的圆柱体、末端带有锥台的圆柱体、末端带有过渡球头的圆柱体。

4.根据权利要求1所述的一种破岩刀具材料-密实核物质对磨试验方法，其特征在于：S4中制备的探针与实际工况中滚刀刀圈的材质成分和物理力学性能参数相同。

5.根据权利要求4所述的一种破岩刀具材料-密实核物质对磨试验方法，其特征在于：S4中制备的探针具有与刀圈相同的元素成分，且探针各组成元素成分的平均质量分数在刀圈相对应元素的质量分数的统计范围内；要求探针的平均硬度在刀圈刃部硬度的统计范围内。

6.根据权利要求1所述的一种破岩刀具材料-密实核物质对磨试验方法，其特征在于：采用近似岩粉试样替代执行S5过程中的岩粉试样；近似岩粉试样具有与S2中所采集的岩粉试样具有相同的组成成分和物理力学参数。

7.根据权利要求6所述的一种破岩刀具材料-密实核物质对磨试验方法，其特征在于：近似岩粉试样仅要求具有与S2中所采集的岩粉试样相同的组成成分和平均粒径大小。

8.根据权利要求1所述的一种破岩刀具材料-密实核物质对磨试验方法，其特征在于：S8中包括但不限于记录并分析如下项目：

1)测量S7中探针摩擦力f，并由下式计算摩擦系数μ：

f＝μN (4)

2)测量S7前后探针的质量损失Δm₀，并按下式计算单位滑擦距离下探针质量损失率v_m：

3)测量S7前后探针末端的微观形貌，分析破岩刀具材料-密实核物质对磨磨损失效机理；

4)按下式拟合获得滑擦速度v₁对摩擦系数μ的影响规律：

式中，a，b，c和d为由探针材质成分、探针-岩粉试样接触载荷决定的常数。

9.根据权利要求8所述的一种破岩刀具材料-密实核物质对磨试验方法，其特征在于：S8中还包括分析如下项目：

研究岩粉试样的组成成分、岩粉试样的物理力学参数、刀圈刃底密实核区应力水平P_field、刀圈圆周线速度ν和正压力N对探针质量损失率v_m和摩擦系数μ的影响规律。

10.根据权利要求9所述的一种破岩刀具材料-密实核物质对磨试验方法，其特征在于：S8中还包括分析如下项目：

基于Archard理论模型，由下式(7)可推导获得磨损系数K，用于研究实际工况中不同的滑动材料和不同的摩擦条件之间的影响规律；

式中，H为探针硬度。

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