一种用于测定盾构机刀具磨损的模型试验装置及使用方法与流程

本发明涉及盾构法施工技术领域，特别涉及一种用于测定盾构机刀具磨损的模型试验装置及使用方法。

背景技术：

盾构机因其开挖安全高效、自动化作业，施工劳动强度低、不影响地面交通与设施等优点，在城市地铁施工中使用非常广泛。在施工过程中，盾构机刀具的磨损是一个不可避免的问题，往往需要开仓检查刀具的磨损程度，确保盾构机能保持高效率切削状态。现在，检查刀具和判断是否需要换刀的时间点，往往由施工人员根据经验进行判断，主观判断的准确性较低，且判断是否需要换刀往往需要经过多次停机检查，给施工进度带来了不利影响。因此，如何对刀具磨损进行准确测定，确定刀具的更换时间，对于保证施工正常、高效进行具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的盾构机刀具的磨损难以准确测定，刀具的更换时间无法事先预估的不足，提供一种用于测定盾构机刀具磨损的模型试验装置及使用方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种用于测定盾构机刀具磨损的模型试验装置，包括土样输送装置、电源装置、刀具钢样、喂料器、土样收集装置和钢样固定装置，所述喂料器的出口与所述土样输送装置相连接，所述钢样固定装置与刀具钢样可拆卸式连接，所述钢样固定装置将刀具钢样固定在所述土样输送装置的上方，所述土样输送装置再与所述土样收集装置相连接，所述电源装置分别与所述土样输送装置、喂料器相连接。

本发明所述的刀具钢样取样于盾构机上不同种类的刀具，因此，刀具钢样包括多种不同的材质，可根据需求，更换不同材质的刀具钢样，例如，需要测定滚刀和切削刀的刀具磨损时，可以通过更换相应的刀具钢样来反映。本发明的土样输送装置上输送的待测土样则取材于施工中需要下穿的地层，用于模拟现场施工的地层环境，同时取得的土样应具有代表性，以保证模拟试验的真实性。本发明的电源装置包括电源箱，电源箱与220v交流电源相连接，电源箱将交流电转换为试验所需的直流电。土样输送装置、喂料器上分别设有电动机，电源箱与电动机相连接，为电动机提供电源，电动机则为土样输送装置和喂料器的运动提供稳定动力，保证试验模型各组件的正常工作。

试验时，打开的电源装置开关，土样输送装置和喂料器开始运转，接着将待测土样通过喂料器匀速加入土样输送装置中，土样输送装置运输待测土样，待测土样通过刀具钢样下方时，与所述刀具钢样发生接触摩擦，继而对刀具钢样产生磨损，最后待测土样运输至土样收集装置处，并进行回收利用。

本发明通过土样输送装置、电源装置、刀具钢样、喂料器、土样收集装置和钢样固定装置的组装，得到了一种简易的模型试验装置，模拟了盾构机刀具在工作时受磨损的过程，可用于预估盾构机刀具的磨损量和刀具更换的时间。本装置的使用，克服了以往根据经验判定刀具的磨损程度的不足，将经验判断变为定量判断，可较为准确的预估刀具的定期更换时间，节省了现场刀具拆装检查的时间，大大缩短了停工次数和停工时间，使隧道盾构施工中刀具时刻保持高效率切削状态，达到提高施工效率、保证施工质量的目的。

优选的，所述喂料器的来料入口处还连接有漏斗，可通过漏斗来向喂料器加入待测土样，使得加入待测土样的速度更加均匀。优选的，所述漏斗包括有多个，彼此的管口径大小不相同，通过选择不同管口径大小的漏斗，可以控制加入待测土样的速度，原理等同于沙漏。

优选的，所述土样输送装置为输送带或转盘，也可以是其他形式的输送装置，只要能运输待测土样，并使得待测土样经过刀具钢样处，和刀具钢样相接触即可。

优选的，所述输送带的宽度与所述刀具钢样的宽度相适配，所述转盘上设有环形凹槽，所述环形凹槽的宽度与所述刀具钢样的宽度相适配。此处的相适配，指的是输送带的宽度/环形凹槽的宽度和所述刀具钢样的宽度基本一致，或输送带的宽度/环形凹槽的宽度略大于所述刀具钢样的宽度，其目的使得待测土样均能经过刀具钢样的下方，并和刀具钢样发生接触摩擦。

优选的，所述钢样固定装置包括钢样夹，所述钢样夹和所述刀具钢样可拆卸式连接，从而便于更换不同材质的刀具钢样。

本发明还公开了一种用于测定盾构机刀具磨损的模型试验装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤一：在钢样固定装置上安装刀具钢样，使得刀具钢样与土样输送装置相接触，此处的相接触，指的是刀具钢样与土样输送装置刚好接触，或刀具钢样和土样输送装置之间有很小的间隙，该间隙使得待测土样刚好可以和刀具钢样的钢样试验面相接触。

步骤二：接通电源装置，将电源箱与220v交流电源相连接，电源箱将交流电转换为试验所需的直流电，电源装置为土样输送装置和喂料器提供电源，使得土样输送装置和喂料器开始工作。

步骤三：往喂料器放入待测土样，最好是匀速放入。待测土样沿着喂料器缓慢进入土样输送装置中，土样输送装置运输待测土样，并通过刀具钢样下方，和刀具钢样的钢样试验面相接触，接触完后继续向前运输。

步骤四：最后通过土样收集装置回收待测土样，回收的待测土样可以用于其他试验，以实现重复利用。

步骤五：记录试验时间t，并测定刀具钢样的磨损量n，计算得到磨损速率v，磨损速率＝磨损量/试验时间，即v＝n/t，式中，v为磨损速率，n为刀具钢样的磨损量，t为试验时间。

步骤六：根据盾构机刀具最大磨损量n的要求，预估达到最大磨损量的时间t，t＝n/v，式中，t为盾构机刀具达到最大磨损量的时间，时间t即需要更换刀具的时间，n为盾构机刀具的最大磨损量，根据施工要求，达到最大磨损量时，就需要更换刀具。

在施工要求中，在硬岩区，盾构机边缘滚刀磨损量推荐值为10-15mm，正面区为15-20mm，中心区为25mm。在软土地层，磨损值推荐值可以适当放宽，取其1～1.5倍作为软土地层磨损量推荐值。刀具正常磨损量超过规定值就应进行更换，如果有条件最好整盘刀具全部更换。在本申请中，当盾构机刀具达到最大磨损量的时间，可以仅更换磨损的刀具，但是有条件最好整盘刀具全部更换。

本方法通过测定刀具钢样的磨损率来预估需要更换盾构机刀具的时间，本方法的应用，改变了以往根据经验判定刀具磨损的方法，节省了检修盾构刀具的拆装时间和大量的停机时间，可有效保证施工的高效进行。本方法操作简便，试验条件较低，但可行性较高，具有高度实用性，得出的结果较为精确，具有广泛适用性。

优选的，所述喂料器还连接有漏斗，所述步骤三更换为选择试验所需管口径的漏斗，往所述漏斗内放入待测土样，漏斗的存在可以使得待测土样的加入速度更加均匀。

与现有技术相比，本发明所述的模型试验装置的有益效果：

本发明通过土样输送装置、电源装置、刀具钢样、喂料器、土样收集装置和钢样固定装置的组装，得到了一种简易的模型试验装置，模拟了盾构机刀具在工作时受磨损的过程，可用于预估盾构机刀具的磨损量和刀具更换的时间。本装置的使用，克服了以往根据经验判定刀具的磨损程度的不足，将经验判断变为定量判断，可较为准确的预估刀具的定期更换时间，节省了现场刀具拆装检查的时间，大大缩短了停工次数和停工时间，使隧道盾构施工中刀具时刻保持高效率切削状态，达到提高施工效率、保证施工质量的目的。

与现有技术相比，本发明所述的模型试验装置的使用方法的有益效果：

本方法通过测定刀具钢样的磨损率来预估需要更换盾构机刀具的时间，本方法的应用，改变了以往根据经验判定刀具磨损的方法，节省了检修盾构刀具的拆装时间和大量的停机时间，可有效保证施工的高效进行。本方法操作简便，试验条件较低，但可行性较高，具有高度实用性，得出的结果较为精确，具有广泛适用性。

附图说明：

图1是本发明实施例1所述的一种用于测定盾构机刀具磨损的模型试验装置的结构示意图。

图2是本发明实施例1所述的一种用于测定盾构机刀具磨损的模型试验装置的正视图。

图3是本发明实施例1所述的一种用于测定盾构机刀具磨损的模型试验装置的俯视图。

图4是本发明实施例1所述的刀具钢样和夹块的结构示意图。

图5是本发明实施例1所述的刀具钢样与待测地层土样接触摩擦的示意图。

图6是本发明实施例2所述的一种用于测定盾构机刀具磨损的模型试验装置的俯视图。

图中标记：1-土样输送装置，11-环形凹槽，2-电源装置，21-电动机，3-漏斗，4-刀具钢样，41-钢样试验面，5-喂料器，6-土样收集装置，7-钢样固定装置，71-钢样夹，8-待测土样。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1-图3所示，一种用于测定盾构机刀具磨损的模型试验装置，包括土样输送装置1、电源装置2、漏斗3、刀具钢样4、喂料器5、土样收集装置6和钢样固定装置7。所述漏斗3的出口与所述喂料器5的进口相连接，所述喂料器5的出口与所述土样输送装置1相连接，所述钢样固定装置7与刀具钢样4可拆卸式连接，所述钢样固定装置7将刀具钢样4固定在所述土样输送装置1上，所述土样输送装置1再与所述土样收集装置6相连接，所述电源装置2分别与所述土样输送装置1、喂料器5相连接。

所述电源装置2包括电源箱，电源箱与220v交流电源相连接，电源箱将交流电转换为试验所需的直流电。土样输送装置1、喂料器5上分别设有电动机21，电源箱与电动机21相连接，为电动机21提供电源，电动机21则为土样输送装置1和喂料器5的运动提供稳定动力，保证试验模型各组件的正常工作。使得土样输送装置1和喂料器5基本保持匀速运行，模拟盾构机在下穿过程中刀盘的匀速旋转，达到尽可能接近施工现场情况的目的。

在本实施例中，所述漏斗3包括有不同大小的管口径，通过选择不同管口径大小的漏斗，可以控制加入待测土样的速度。所述漏斗3即相当于喂料器5的给料箱部件，通过给料箱提供土样，喂料器5可以均匀、稳定的下放土样，其喂料端通过上下两滑片的来回错动，实现待测土样的均匀供给。

如图4所示，所述刀具钢样4的钢样试验面41为圆弧形，刀具钢样4应取材于盾构机刀具的制作材料，与盾构机刀具有几乎相同的物理力学性质，从而保证试验的准确性，所述刀具钢样4也包括多种材质，可根据需求，更换不同材质的刀具钢样4。所述钢样固定装置7包括钢样夹71，所述钢样夹71和所述刀具钢样4可拆卸式连接，从而便于刀具钢样4的更换。刀具钢样4与土样输送装置1的环形凹槽11达到刚好接触的状态，环形凹槽11将待测土样8带入刀具钢样4下，即与刀具钢样4发生接触摩擦，对刀具钢样4产生一定的磨损，其过程如图5所示。待测土样8取材于施工中需要下穿的地层，用于模拟现场施工的地层环境。

所述土样输送装置1为转盘，所述转盘上设有环形凹槽11，所述环形凹槽11的宽度与所述刀具钢样4的宽度基本一致。在本实施例中，土样收集装置6包括吸尘管和吸尘器，用于收集试验完的土样，避免了资源的浪费，同时保持了试验环境的整洁。

将待测土样8加入漏斗3中，通过喂料器5将土样缓慢加入到转盘的环形凹槽11中，通过转盘将待测土样8运送至刀具钢样4下，待测土样8通过刀具钢样4下方即与刀具钢样4发生接触摩擦，对刀具钢样4产生了磨损，随后待测土样8被转盘运输至吸尘管处，由吸尘器对待测土样8进行收集，完成整个试验流程。

实施例2

如图6所示，本实施例与实施例1的区别在于，所述土样输送装置1为输送带，所述输送带的宽度与所述刀具钢样4的宽度相适配。输送带上依次设有喂料器5、刀具钢样4和土样收集装置6，喂料器5上流出的待测土样，沿着输送带经过刀具钢样4，并最终到达土样收集装置6。采用输送带的好处是便于土样的收集，可以直接在输送带的末端设置接收槽即可。

实施例3

一种用于测定盾构机刀具磨损的模型试验装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤一：在钢样固定装置7上安装刀具钢样4，使得刀具钢样4与土样输送装置1相接触，并用钢样夹71进行固定，使刀具钢样4在试验过程中保持不动。此处的相接触，指的是刀具钢样4与土样输送装置1刚好接触，或刀具钢样4和土样输送装置1之间有很小的间隙，该间隙使得待测土样8刚好可以和刀具钢样4的钢样试验面41相接触；

步骤二：接通电源装置2，将电源箱与220v交流电源相连接，电源箱将交流电转换为试验所需的直流电，电源装置为土样输送装置和喂料器提供稳定电源，使得土样输送装置1和喂料器5开始工作，并基本保持匀速；

步骤三：选择试验所需管口径的漏斗3，往漏斗3内缓慢放入待测土样8，控制加入速率及土样用量，使待测土样8缓慢流入喂料器5中，待测土样8经由喂料器5缓慢进入土样输送装置1中，并缓慢经过刀具钢样4，从而发生接触摩擦；

步骤四：通过土样收集装置6回收待测土样8；

步骤五：记录试验时间，并测定刀具钢样4的磨损量，计算得到磨损速率，磨损速率＝磨损量/试验时间；

步骤六：根据盾构机刀具最大磨损量的要求，预估达到最大磨损量的时间t，t＝最大磨损量/磨损速率，该时间即需要更换刀具的时间。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。