一种盾构刀具的摩擦磨损试验装置及试验方法与流程

本发明涉及盾构刀具摩擦磨损测试技术领域，特别是涉及一种盾构刀具的摩擦磨损试验装置及试验方法。

背景技术：

盾构施工广泛应用于城市地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程，它具有对周围环境影响小、自动化程度高、效率高和安全环保等优点。根据地质条件不同，采用不同类型的盾构机进行隧道挖掘，在纯硬岩地层中主要采用全断面硬岩掘进机，在软岩、土质地层和岩石与土的混合地层中主要采用土压平衡盾构、泥水盾构和混合式盾构。

刀具是盾构机的“牙齿”，通过刀具不断地对开挖面岩石或土体进行挤压、碾磨、切削，从而使得盾构机不断前进进行隧道挖掘。盾构刀具主要包括用于破岩的滚刀和用于切削土体的切刀、刮刀、周边刮刀、中心刀和先行刀等两大类刀具。在全断面硬岩掘进机的刀盘上主要布置用于破岩的滚刀，滚刀在掘进过程中与开挖面岩层产生“硬对硬”的滚－滑磨损。在土压平衡盾构、泥水盾构和混合式盾构的刀盘上主要布置软土切削刀具，同时布置一定数量用于破岩和破碎大块漂石的滚刀，刀具在软岩、土层和混合地层中的磨损与硬岩掘进过程中刀具的磨损有极大的差别，在土压平衡和泥水平衡盾构施工中刀具浸泡在各种各样的泥浆中，刀具与开挖面作用时，两者之间填充了各种各样的土、砂、岩石碎块等颗粒。

国内外报道了不少用于研究滚刀在硬岩掘进过程中的磨损和破岩机理的装置和方法，例如：《岩石切割刀具切削试验装置》(中国专利200920245585.8)、《岩石切割刀具切削试验方法》(中国专利200910219276.8)、《双滚刀实验台刀具系统》(中国专利201010133136.1)、《刀具破岩机理与耐磨试验机》(中国专利200810011968.9)和《disccuttingtestsincoloradoredgranite:implicationsfortbmperformanceprediction》(internationaljournalofrockmechanicsandminingsciences，2007年44卷第2期)等专利和文献。

然而上述现有试验装置具有诸多不足，如试验装置压力跳动大、不能真实反映盾构实际工况。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种盾构刀具的摩擦磨损试验装置及试验方法，以解决上述现有技术存在的问题，该装置整体结构简单、安装方便，压力跳动小、试验结果准确。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种盾构刀具的摩擦磨损试验装置，包括机架和横向机构，所述横向机构包括安装于所述机架上的底板，所述底板上设置有横线丝杆，所述横线丝杆一端连接有伺服电机，所述横线丝杆上活动设置有物料盘；所述物料盘上方设置有刀盘，所述刀盘通过变频电机安装于所述机架上；所述底板下方设置有包括力传感器的压力机构，所述底板侧面沿横线丝杆方向安装有两个力传感器来连接旋转盘和底板；所述压力机构能够对所述底板提供向上的压力。

可选的，所述压力机构包括设置于所述底板上方的移动台，所述移动台顶部活动设置有旋转盘，所述旋转盘与所述底板连接，所述移动台底部通过导柱连接有导向受力台，所述导向受力台和所述移动台穿设于支撑柱上，所述支撑柱顶部与所述旋转盘连接；所述支撑柱两端对称设置有两个螺杆套，所述螺杆套一端与所述机架连接，另一端通过u形锁铰接于所述支撑柱底部；位于所述u形锁与所述导向受力台之间的所述支撑柱上套设有重载弹簧。

可选的，所述变频电机安装于所述机架上，所述变频电机的转轴通过联轴器连接有刀盘杆，安装刀盘杆的轴承座嵌入机架，所述刀盘杆下方安装有所述刀盘。

可选的，所述底板上设置有矩形架，所述横线丝杆穿设于所述矩形架上，所述伺服电机安装于所述矩形架外侧。

可选的，所述横线丝杆上套设有滑块，所述物料盘固定安装于所述滑块上；所述底板上开设有导轨，所述滑块底部位于所述导轨上。

可选的，所述刀盘杆与所述刀盘通过莫式锥柄连接。

本发明还提供一种盾构刀具的摩擦磨损试验方法，主要包括如下步骤：

步骤一；采用固定大小的力测定力传感器工作是否正常，初始化力传感器；

步骤二；将刀盘安装在刀盘杆上，试件安装在物料盘上，旋转螺杆套，调节重载弹簧压力，进而使试件和刀盘接触，通过力传感器，使接触的总压力达到预定值；

步骤三；启动变频电机使刀盘旋转，采集连接旋转盘和底板的力传感器的拉力、压力，比较所采集的力的偏差值，当采集的拉力、压力偏离≤2％时，正常采集；偏离大于2％时，检查维护系统；根据测量的力和测力点距刀盘旋转中心的距离计算刀盘旋转总阻力距；

步骤四；启动伺服电机，模拟横向进给刀盘受力大小；

步骤五；根据总压力和总阻力计算刀盘受摩擦力的大小。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的盾构刀具的摩擦磨损试验装置及试验方法具有如下优点：

1)切向进给方式：当试件的横向移动时，试件的运动速度与刀盘滚动接触点的速度合成，合成速度与刀盘的滚动速度成一定夹角，实现刀盘的斜向运动，即刀盘在滚压岩石试件时受到变化的轴向力，模拟成一定角度安装的刀盘的运动。

2)摩擦力检测方式：在可旋转的平板上安装一个力传感器、一个压力传感器，因为两个传感器距旋转中心距离相同，因此两个力理论上相同，可以作为受力校验，避免因传感器失效而引起的数据不准确；减小了单个传感器的受力，实际上提高了检测精度。

3)稳定载荷及导向方式：采用重载弹簧加载，导柱定向，有效确定载荷方向，也避免了因为现有方案采用悬挂重物，因摩擦力变化引起的振动，导致瞬时载荷失真引起的摩擦力的变化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明盾构刀具的摩擦磨损试验装置整体结构三维示意图；

图2为本发明盾构刀具的摩擦磨损试验装置刀盘连接结构示意图；

图3为本发明盾构刀具的摩擦磨损试验装置压力机构示意图；

图4为本发明盾构刀具的摩擦磨损试验装置整体结构主剖面示意图；

其中，1为机架、2为底板、3为横线丝杆、4为伺服电机、5为物料盘、6为刀盘、7为变频电机、8为移动台、9为旋转盘、10为导柱、11为导向受力台、12为支撑柱、13为螺杆套、14为u形锁、15为重载弹簧、16为联轴器、17为刀盘杆、18为矩形架、19为力传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种盾构刀具的摩擦磨损试验装置及试验方法，以解决上述现有技术存在的问题，该装置整体结构简单、安装方便，压力跳动小、试验结果准确。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种盾构刀具的摩擦磨损试验装置，如图1-图4所示，包括机架1和横向机构，横向机构包括安装于机架1上的底板2，底板2上设置有横线丝杆3，横线丝杆3一端连接有伺服电机4，横线丝杆3上活动设置有物料盘5；物料盘5上方设置有刀盘6，刀盘6通过变频电机7安装于机架1上；底板2下方设置有带力传感器19的压力机构，底板2侧面安装力传感器19；压力机构能够对底板2提供向上的压力。

进一步优选的，压力机构包括设置于底板2下方的移动台8，移动台8顶部活动设置有旋转盘9，旋转盘9与底板2连接，移动台8底部通过导柱10连接有导向受力台11，导向受力台11和移动台8均穿设于支撑柱12上，支撑柱12顶部与旋转盘9连接；支撑柱12两端对称设置有两个螺杆套13，螺杆套13一端与机架1连接，另一端通过u形锁14铰接于支撑柱12底部；位于u形锁14与导向受力台11之间的支撑柱12上套设有重载弹簧15。

变频电机7安装于机架1上，变频电机7的转轴通过联轴器16连接有刀盘杆17，刀盘杆17下方安装有刀盘6。底板2上设置有矩形架18，横线丝杆3穿设于矩形架18上，伺服电机4安装于矩形架18外侧。横线丝杆3上套设有滑块，物料盘5固定安装于滑块上；底板2上开设有导轨，滑块底部位于导轨上。刀盘杆17与刀盘6通过莫式锥柄连接。

本发明还提供一种盾构刀具的摩擦磨损试验方法，该方法主要包括如下步骤：

步骤一；采用固定大小的力测定力传感器工作是否正常，初始化力传感器；

步骤二；将刀盘6安装在刀盘杆17上，试件安装在物料盘5上，旋转螺杆套13，调节重载弹簧15压力，进而使试件和刀盘6接触，通过力传感器，使接触的总压力达到预定值；

步骤三；启动变频电机使刀盘6旋转，采集力传感器的拉力、压力，比较所采集的力的偏差值，当采集的拉力、压力偏离≤2％时，正常采集；偏离大于2％时，检查维护系统；根据测量的力和测力点距中心距离计算刀盘6旋转总阻力距；

步骤四；启动伺服电机4，模拟横向进给刀盘6受力大小；

步骤五；根据总压力和总阻力计算刀盘6受摩擦力的大小；检查试件形貌、失重量，测试刀痕；检测刀盘6磨损状态、失重量。

具体的，螺杆套13分别于左右旋螺杆相连，通过扳手拧动螺杆套13可压缩重载弹簧15，重载弹簧15把力传给导向受力台11，导向受力台11通过对称设置的四个导柱10把力均匀的传递给移动台8，进而提供试件所需压力；旋转盘9与横向机构的底板2旋转连接，可保证工作时可能出现的旋转运动，旋转盘9与横向机构的底板2通过两个力传感器连接，从而获得刀盘运动时产生的摩擦力。

本发明的刀盘可以根据需要调节分布刀片的中心距，更改刀片轴方向，也可以实现刀盘运动速度方向与刀盘径向成一定夹角，模拟盾构的运动。切向进给，通过合成速度方向改变，模拟成一定角度安装的刀盘的运动。固定力传感器，避免了现有摩擦力检测采用的软钢丝导致的不准确缺陷，因钢丝可能缠绕在轴上，引起的额外不可确定的摩擦力；等值摩擦力校验提高了检测精度。稳定载荷及导向方式：导柱可以保证传感器受正压力，避免因载荷方向变化引起的加载误差。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。