本发明涉及一种掘进设备刀具在软土环境下的磨损试验及预测方法。
背景技术：
在隧道施工中机械化的挖掘方法已经变得越来越普遍，掘进机作为重要的隧道施工设备，被广泛应用于铁路隧道、城市轨道等工程中。刀具作为掘进机的关键部件，刀具的磨损是不可避免的。在隧道掘进的过程中，尤其是软土层掘进的过程中，刀具的检查和维护通常是在加压的条件下进行，为此检查和维护人员必须承受土仓的高压环境。检查和维护人员在进仓前须先升压，达到土仓压力后方能进行工作，换刀完成后又需要降压，升压和降压过程不但耗时长，会大大影响工程效率，而且对工作人员的身体健康威胁很大。
此外，当前关于掘进机刀具磨损的研究关于在硬岩上的较多，由于软土的特性与岩石差别很大，并不能将用于岩石的刀具磨损的研究直接应用到关于软土的刀具磨损的研究中，而应用在软土或土壤中的刀具的磨损，目前还没有一个普遍被接受的研究方法。首先，刀具对作业中对土壤的作用，会改变土壤中颗粒的形状。随着颗粒的破碎，颗粒的形状趋于变得更加有角度，增加颗粒的角度可能会增加磨蚀性。在机器的表面上，掘进设备的刀具与土壤接触的时间有限，通过刀具的不断作业，刀具不断暴露在新的土壤中。在现有的试验装置中，如果在连续刀具测试时间的时间过长，在测试中改变土壤的颗粒形状或粒度分布，改变土壤颗粒特性可能会影响土壤的磨损特性，则刀具磨损的测试结果与实际情况差距较大，其试验和预期结果也是不准确的。而现有的软土的试验中并没有考虑到试验的持续时间对试验结果的影响，因此现有的试验结果与实际工程中刀具磨损量偏差较大。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供了一种掘进设备刀具在软土环境下的磨损试验及预测方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：掘进设备刀具在软土环境下的磨损试验以及预测方法，该方法包括以下步骤：
（1）试验装置的准备和安装，试验装置包括测试室、土壤样品、安装有叶片状刀具的驱动轴、上端盖、驱动单元，测试室设置为密闭有压的筒体，土质样品容纳在测试室内，土质样品由施工现场采集得到，测试室下部为土质样品，上部为有压气体，将刀具伸入土质样品中，上端盖与测试室的筒体的上端固定的连接，在上端盖和筒体之间设置可承受高压的双向密封装置，设置在测试室上方的驱动单元与驱动轴可驱动的连接，，在筒体的上部分别设置有压气体的充气管路以及注水管路，在筒体的底部设置压力传感器以及湿度传感器，在驱动轴上设置扭矩传感器和推力传感器；将土壤的湿度、测试室的压力、驱动轴上扭矩和推力调整到与工程现场施工条件相同的工况，还原现场的施工条件；
（2）最佳试验运行时间的确定；在不同测试持续时间进行测试，测量不同测试持续时间下土壤的颗粒的球形度和圆度的变化，通过与实际工况中土壤的颗粒变化进行比较，选择与实际工况最接近的颗粒变化所对应的测试时间作为确定最佳的试验运行时间；
（3）进行磨损试验；打开执行器以及各传感器，调整试验装置的参数，模拟实际工程中的各种工况，使试验装置运行确定好的最佳试验运行时间，并进行重复多次，测量刀具平均的磨损质量的相对值，记录下相应的磨损质量的相对值及对应的各参数值；
（4）绘制刀具磨损的表格；将各工况下，土质类型、湿度、测试室的压力、驱动轴上扭矩和推力等参数与刀具平均的磨损质量的相对值的对应关系制作为表格；
（5）对实际工程中刀具磨损的预测；根据现场各种工况中的土壤类型、湿度、压力、刀具的角度、扭矩和推力等实际值，在刀具磨损表格中找到相应工况的刀具平均的磨损质量的相对值，以计算出刀具实际的磨损量，确定各实际工况下，刀具需要更换的周期。
进一步地，所述测试室的腔室的压力值可达到10bar以上。
进一步地，在有压气体的充气管路设置有空气阀，在注水管路上设置有水阀。
进一步地，驱动单元包括齿轮箱，能够实现变速驱动。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明提出了一种通过试验的方法模拟工程实际工况，并对实际工程中刀具的磨损进行预测；通过该方法可以更科学、更有效地测试在软土环境中对掘进设备刀具的磨损情况，并通过刀具磨损的试验来指导现场刀具检查和维护，计算出刀具实际的磨损量，确定刀具需要更换的周期，无需检查和维护人员频繁的进入工程中压力仓内检测，减少了工作量，提高掘进的工程进度；
（2）充分考虑软土对于刀具磨损影响的特性，通过初步的试验来确定最佳试验运行时间，使得试验结果更科学，更加接近实际工况，减小试验的误差，以更好的指导工程实践；
（3）该试验对不同性质的软土，测试范围广，可以包括从黏土到大直径的砾石、鹅卵石的各种类型土质，可以满足各种类型的现场土质的测试；
（4）该试验可以实现包括改变土质类型，改变湿度，改变环境压力，改变叶片的旋转速度，改变叶片旋转的持续时间等各种工况条件，以全面动态地对实际工程中各种工况下的刀具磨蚀情况进行测试。
具体实施方式
现在结合具体实施例对本发明作进一步说明，以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。
该掘进设备刀具在软土环境下的磨损试验及预测方法，该方法包括依次进行的以下步骤：
首先，进行试验装置的准备和安装，试验装置包括测试室、土质样品、安装有叶片状刀具的驱动轴、上端盖、驱动单元，测试室设置为密闭有压的筒体，土质样品容纳在测试室内，土质样品由施工现场采集得到，测试室下部为土质样品，上部为有压气体，将刀具伸入土质样品中，上端盖与测试室的筒体的上端固定的连接，在上端盖和筒体之间设置可承受高压的双向密封装置，使得测试室的腔室的压力可达到10bar以上。设置在测试室上方的驱动单元与驱动轴可驱动的连接，驱动单元包括齿轮箱，能够实现试验装置的变速驱动。在筒体的上部分别设置有压气体的充气管路、以及注水管路，并在有压气体的充气管路设置有空气阀，在注水管路上设置有水阀，以分别控制有压气体和水分进入到测试室内。在筒体的底部设置压力传感器以及湿度传感器，在驱动轴上设置扭矩传感器和推力传感器；将土壤的湿度、测试室的压力、驱动轴上扭矩和推力调整到工程现场施工条件相同的工况，还原现场的施工条件。为了更好的模拟实际工况，推力能够表示土壤和刀具之间的压力，扭矩表示旋转时驱动刀具穿过土壤所需的扭矩量。本试验的测量值将包括叶片的轴向载荷，扭矩，刀具的重量损失，恒定的湿度，环境压力等。由于随着施工的进度，土质条件以及各类参数均会有所变化，该试验的可以通过实现包括采集现场不同的土质样品以及改变湿度，改变环境压力，改变叶片的旋转速度，改变叶片旋转的持续时间等各种工况条件，以全面动态地对实际工程中各种工况下的刀具磨蚀情况进行测试。
然后，进行最佳试验运行时间的确定；在不同测试持续时间进行各种测试，测量不同测试持续时间下土壤的颗粒的球形度和圆度的变化，通过与实际工况中土壤的颗粒的球形度和圆度变化的比较，确定最佳的试验运行时间。为了测量试验的最佳处理时间，试验在不同测试持续时间（如1，3，5，7，9分钟等）进行测试，分析不同测试持续时间下颗粒的变化。
而量化颗粒形状变化的的一种方法是测量球形度和圆度。其中，颗粒的球形度用来描述颗粒形状偏离球形的程度，具体定义为：与任意形状颗粒相同体积球形的表面积与该种颗粒的表面积之比，颗粒偏离圆球体愈远，球度与1相差愈大。
球度计算公式为：球度=等体积球的表面积/颗粒的表面积
颗粒的圆度是指颗粒棱和角的尖锐程度，其定义为：颗粒的平面投影图像上各角曲率半径的平均值与颗粒最大内接圆的半径之比，
其计算公式为：圆度=
其中
通过计算不同测试时间后颗粒的球形度和圆度的值，与实际工程中刀具切削下来的碎屑的球形度和圆度的值相比较，将最接近于实际工程的颗粒变化值所对应的试验测试时间，作为最佳试验运行时间。
其次，进行磨损试验；打开执行器以及各传感器，将试验环境调整到与实际相同的工况，使试验装置运行确定好的最佳试验运行时间，并进行重复多次，测量试验前后刀具平均的磨损质量的相对值，即刀具的磨损质量与刀具原始质量的比值，并记录下试验中各参数值。试验的参数值将包括叶片的轴向载荷，扭矩，刀具的重量损失，恒定的湿度，环境压力等；由于随着施工的进度，土质条件以及各类参数也均会有所变化，可以调整试验的土质样品以及其他试验的各参数，模拟实际工程中所发生的各种工况，记录下相应的磨损质量的相对值及对应的各参数值。
再次，制作刀具磨损表格；将各工况下，土质类型、湿度、测试室的压力、驱动轴上扭矩和推力等参数与刀具平均的磨损质量的相对值的对应关系制作为表格。
最后，对实际工程中刀具磨损的预测；根据现场各种工况中的土壤类型、湿度、压力、刀具的角度、扭矩和推力等实际值，在刀具磨损表格中找到相应工况的刀具平均的磨损质量的相对值，以计算出刀具实际的磨损量，确定各实际工况下，刀具需要更换的周期。通过试验的方式预测实际工程中刀具磨损量，减少检查和维护人员的工作量，提高掘进的工程进度。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。