一种砂卵石地层磨损系数测量装置及方法与流程

本发明涉及磨蚀性测试领域，尤其涉及一种砂卵石地层磨损系数测量装置及方法。

背景技术：

目前，国内城市轨道交通建设的规划建设方式以地下线路为主，地下轨道交通工程中隧道建设采用的主要施工方法为暗挖法及盾构法，其中盾构法由于其速度快、施工安全、机械化程度高、地层适应性好等优点应用的最为广泛。盾构机作为盾构法隧道的核心机械设备，其与地层之间的适应性及工程施工过程中设备的状态尤为重要。

我国地铁区间隧道建设过程中，部分城市遇到了大面积卵石地层，例如：北京、成都、兰州、沈阳等。土压平衡盾构在卵石地层中掘进，由于卵石强度高、磨蚀性强，刀具磨损严重，需频繁开舱检修刀具，盾构掘进效率低下，严重影响工期，且工程造价急剧增加。因此需要对刀具在砂卵石地层中的磨损情况进行研究。

现有研究表明，盾构在砂卵石地层中掘进刀具磨损以磨粒磨损为主，并基于磨粒磨损提出了磨粒磨损预测模型并推导计算。计算公式中，磨粒磨损系数对刀具磨损预测影响很大，但现阶段未有针对砂卵石土中刀具硬质合金耐磨块磨损系数的试验设备。国内现有磨粒磨损系数测试设备主要为类mls-225磨粒磨损机、mdl-10型动载磨粒磨损试验机等，通常用于测定单一条件下的二体或三体磨粒磨损系数，但是无法测定砂卵石土这种复杂条件下的磨损系数。国外常用lcpc、sat等试验测定土层磨蚀性，但各有不足之处。lcpc试验中金属块转速不可控，且无法对土试样进行加载；sat试验无法考虑荷载、土体改良等因素对磨损系数的影响。

考虑到准确预测刀具磨损可以更好的指导实际工程，因此一种针对砂卵石土中刀具硬质合金耐磨块磨损系数测定的试验方法及设备的研发是非常有科学意义的。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种砂卵石地层磨损系数测量装置，解决无法针对砂卵石土中刀具硬质合金耐磨块磨损系数测定的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种砂卵石地层磨损系数测量装置，包括基本框架、承载单元、驱动电机、固定架、待测合金块组、土体注入单元和数据检测组件，所述承载单元固定设置在所述基本框架上，所述驱动电机可上下滑动设置在所述基本框架上，所述固定架与所述驱动电机的输出轴传动连接，所述待测合金块组可拆卸设置在所述固定架上，所述土体注入单元与所述承载单元内部通过管路连通，所述数据检测组件用于检测承载单元、驱动电机及土体注入单元的工作数据。

进一步，还包括空气注入单元、膨润土注入单元和加载单元，所述空气注入单元和膨润土注入单元均与所述承载单元内部通过管路连通，所述加载单元设置在所述承载单元的上方。

进一步，所述数据检测组件包括扭矩传感器、推力传感器、压力传感器、三个压力计和三个流量计，所述扭矩传感器和推力传感器均设置在所述驱动电机上，所述扭矩传感器和推力传感器分别与所述驱动电机信号连接，所述压力传感器设置在所述承载单元的内部表面上，所述空气注入系统、膨润土注入系统和土体注入单元分别与所述承载单元连通的管路上均设置有一个压力计和流量计。

进一步，所述待测合金块组包括第一待测合金块组和第二待测合金块组，所述第一待测合金块组和所述第二待测合金块组均可拆卸设置在所述固定架上，所述第一待测合金块组和第二待测合金块组尺寸不同。

进一步，所述固定架包括横梁和竖梁，所述横梁和竖梁交叉设置且固定连接；所述横梁和竖梁的交叉位置与所述驱动电机的输出轴传动连接，所述第一待测合金块组可拆卸设置在所述横梁上，所述第二待测合金块组可拆卸设置在所述竖梁上。

进一步，所述横梁和竖梁的长度相同，且在中心位置交叉连接。

进一步，所述第一待测合金块组包括两个第一待测合金块，两个所述第一待测合金块分别铰接设置在所述横梁的两端；所述第二待测合金块组包括两个第二待测合金块，两个所述第二待测合金块分别铰接设置在所述竖梁的两端。

进一步，所述固定架还包括传动杆，所述传动杆一端与所述驱动电机的输出轴固定连接，所述传动杆的中心轴线与所述驱动电机的输出轴的中心轴线在一条直线上，所述传动杆的另一端垂直连接设置所述横梁和竖梁的交叉位置。

进一步，所述基本框架包括底板和支架，所述底板设置在所述支架的底部，所述底板与所述支架固定连接或一体成形，所述承载单元固定设置在所述底板上，所述驱动电机可上下滑动设置在所述支架上。

一种砂卵石地层磨损系数测量装置的测量方法，包括如下步骤，

s1：将原状土通过土体注入单元注入承载单元；

s2：记录待测合金块组的初始重量后安装在固定架上；

s3：将固定架放置在原状土表面，启动驱动电机，驱动固定架向下移动指定行程；

s4：将待测合金块组从固定架上拆卸并记录待测合金块组的磨损后重量；

s5：根据待测合金块组磨损前后重量差计算磨损高度，并根据数据检测组件所检测的数据计算待测合金块组的轨迹长度；

s6：根据磨损高度及轨迹长度绘制磨损曲线，计算得到磨损系数。

进一步，所述步骤s1中，将原状土注入承载单元后，通过空气注入单元、膨润土注入单元和加载单元调节注入承载单元后的原状土的物理力学性质。

进一步，所述步骤s3中指定行程为1米。

进一步，所述驱动电机在所述指定行程内进行正转和反转运动，且正转反转时间相同。

进一步，重复步骤s3和s4至少两次。

本发明提供一种砂卵石地层磨损系数测量装置，包括基本框架、承载单元、驱动电机、固定架、待测合金块组、土体注入单元和数据检测组件，所述承载单元固定设置在所述基本框架上，所述驱动电机可上下滑动设置在所述基本框架上，所述固定架与所述驱动电机的输出轴传动连接，所述待测合金块组可拆卸设置在所述固定架上，所述土体注入单元与所述承载单元内部通过管路连通，所述数据检测组件用于检测承载单元、驱动电机及土体注入单元的工作数据。这样，测量时，将采集到的原状土通过土体注入单元注入承载单元内部，并通过驱动电机带动固定架转动，固定架上的待测合金块组跟随转动，由于驱动电机可滑动设置在基本框架上，固定架可以实现转动且向下位移，在该位移行程内，待测合金块组转动会产生磨损量，根据该磨损量转化为磨损高度，数据检测组件检测相关数据，计算出待测合金块组的轨迹长度，通过磨损高度及轨迹长度绘制磨损曲线，得到正常磨损阶段斜率，此值即为硬质合金在砂卵石地层中的磨损系数。相对于现有技术而言具有的优点是：设备操作简单，单次试验成本低，试验结果直观，可以测定复杂条件下硬质合金刀具的磨粒磨损系数。

本发明提供一种砂卵石地层磨损系数测量装置的测量方法，包括如下步骤，将原状土通过土体注入单元注入承载单元；记录待测合金块组的初始重量后安装在固定架上；将固定架放置在原状土表面，启动驱动电机，驱动固定架向下移动指定行程；将待测合金块组从固定架上拆卸并记录待测合金块组的磨损后重量；根据待测合金块组磨损前后重量差计算磨损高度，并根据数据检测组件所检测的数据计算待测合金块组的轨迹长度；根据磨损高度及轨迹长度绘制磨损曲线，计算得到磨损系数。这样，用电子天枰对待测合金块组进行精确称重，并将其安装固定在固定架上，将待测合金块组置于承载单元中原状土体表面，并在上方加载与实际工况相匹配的荷载条件，设定驱动电机转速、驱动电机下行速度，开启驱动电机，当驱动电机向下运动完成指定行程时，将固定架提出承载单元，拆下待测合金块组并清理待测合金块组表面附着的土，并称重记录，记录待测合金块组的磨损后重量，需要对实验数据进行处理，计算待测合金块组的轨迹长度；根据磨损高度及轨迹长度绘制磨损曲线，计算得到硬质合金在砂卵石地层中的磨损系数。

附图说明

图1为本发明一种砂卵石地层磨损系数测量装置的整体结构示意图；

图2为本发明一种砂卵石地层磨损系数测量装置固定架结构示意图；

图3为本发明一种砂卵石地层磨损系数测量装置磨损曲线示意图；

图4为本发明一种砂卵石地层磨损系数测量装置的测量方法流程示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、基本框架，101、底板，102、支架，103、横杆，2、承载单元，3、驱动电机，4、固定架，401、横梁，402、竖梁，403、传动杆，5、第一待测合金块，6、第二待测合金块，7、空气注入单元，8、膨润土注入单元。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“中心”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-图3所示，本发明提供一种砂卵石地层磨损系数测量装置，包括基本框架1、承载单元2、驱动电机3、固定架4、待测合金块组、土体注入单元和数据检测组件，所述承载单元2固定设置在所述基本框架1上，所述驱动电机3可上下滑动设置在所述基本框架1上，所述固定架4与所述驱动电机3的输出轴传动连接，所述待测合金块组可拆卸设置在所述固定架4上，所述土体注入单元与所述承载单元2内部通过管路连通，所述数据检测组件用于检测承载单元2、驱动电机3及土体注入单元的工作数据。这样，测量时，将采集到的原状土通过土体注入单元注入承载单元2内部，并通过驱动电机3带动固定架4转动，固定架4上的待测合金块组跟随转动，由于驱动电机3可滑动设置在基本框架1上，固定架4可以实现转动且向下位移，在该位移行程内，待测合金块组转动会产生磨损量，根据该磨损量转化为磨损高度，数据检测组件检测相关数据，计算出待测合金块组的轨迹长度，通过磨损高度及轨迹长度绘制磨损曲线，得到正常磨损阶段斜率，此值即为硬质合金在砂卵石地层中的磨损系数。相对于现有技术而言具有的优点是：设备操作简单，单次试验成本低，试验结果直观，可以测定复杂条件下硬质合金刀具的磨粒磨损系数。

本发明的砂卵石地层磨损系数测量装置，如图1-图3所示，在前面描述的技术方案的基础上还可以是：还包括空气注入单元7、膨润土注入单元8和加载单元，所述空气注入单元7和膨润土注入单元8均与所述承载单元2内部通过管路连通，所述加载单元设置在所述承载单元2的上方。这样通过空气注入单元7向承载单元2内部吹入空气，通过膨润土注入单元8向承载单元2填充膨润土以及加载单元配合原状土的含量可以调节承载单元2内部土样的干密度、级配、含水率等，以实现保证承载单元2内部的土样与最开始采集到的原状土的物理力学性质尽量吻合，以保证试验数据的精准性。同时也可以通过注入空气、膨胀土及原状土的量来适配不同土体改良条件下的土样样本，以获得不同土体改良条件下硬质合金在砂卵石地层中的磨损系数。这里需要说明的一点是，上述中的加载单元，作用于承载单元2的上方，用于对承载单元2内部的土体进行加压，可以采用人工按压方式，也可以采用机械化独立按压，采用机械按压时，保证与土体接触按压部不与驱动电机3、固定架4、待测合金块组等部件发生干涉即可。

本发明的砂卵石地层磨损系数测量装置，如图1-图3所示，在前面描述的技术方案的基础上还可以是：所述数据检测组件包括扭矩传感器、推力传感器、压力传感器、三个压力计和三个流量计，所述扭矩传感器和推力传感器均设置在所述驱动电机3上，所述扭矩传感器和推力传感器分别与所述驱动电机3信号连接，所述压力传感器设置在所述承载单元2的内部表面上，所述空气注入系统、膨润土注入系统和土体注入单元分别与所述承载单元2连通的管路上均设置有一个压力计和流量计。这样，通过设置扭矩传感器、推力传感器及压力传感器可以实时监测驱动电机3工作时的扭矩、推力和转速，压力传感器则检测该工作环境下所受到的载荷，另外，承载单元2分别与空气注入单元7、膨润土注入单元8以及土体注入单元所连通的管路上各设置一个压力计和一个流量计，可以对每条管路的注入压力及注入量进行检测，在整个磨损系数测量过程中，可以全面、及时的获取试验数据，方便实验人员进行试验数据分析、比对。

本发明的砂卵石地层磨损系数测量装置，如图1-图3所示，在前面描述的技术方案的基础上还可以是：所述待测合金块组包括第一待测合金块组和第二待测合金块组，所述第一待测合金块组和所述第二待测合金块组均可拆卸设置在所述固定架4上，所述第一待测合金块组和第二待测合金块组尺寸不同。这样，本申请中采用两组不同尺寸的测合金块组，在测量装置工作前，需要对第一待测合金块组和第二待测合金块组分别进行称重，在测量装置工作后，再次对第一待测合金块组和第二待测合金块组分别进行称重，那么可以分别得出第一待测合金块组和第二待测合金块组测量前后的磨损质量，并将第一待测合金块组和第二待测合金块组的磨损质量分别转算为磨损高度，由于第一待测合金块组和第二待测合金块组处于同一工作环境，那么实验数据即磨损高度以平均值的方式来进行计算，这样绘制出来的磨损曲线更为精准。

本发明的砂卵石地层磨损系数测量装置，如图1-图3所示，在前面描述的技术方案的基础上还可以是：所述固定架4包括横梁401和竖梁402，所述横梁401和竖梁402交叉设置且固定连接；所述横梁401和竖梁402的交叉位置与所述驱动电机3的输出轴传动连接，所述第一待测合金块组可拆卸设置在所述横梁401上，所述第二待测合金块组可拆卸设置在所述竖梁402上。进一步优选的技术方案是：所述横梁401和竖梁402的长度相同，且在中心位置交叉连接。这样，由于横梁401和竖梁402的长度相同，且在中心位置交叉连接，那么设置在横梁401和竖梁402两端的第一待测合金块组、第二待测合金块组在工作过程中的行程是可以保证一致的，无需挨个测量，方便实验人员进行数据分析。具体的，横梁401和竖梁402均采用圆形空心钢管，以减小转动过程中的阻力，钢管尺寸为φ25mm×2mm，横梁401和竖梁402的两端均焊接有螺栓连接口，用以安装第一待测合金块组和第二待测合金块组。

本发明的砂卵石地层磨损系数测量装置，如图1-图3所示，在前面描述的技术方案的基础上还可以是：所述第一待测合金块组包括两个第一待测合金块5，两个所述第一待测合金块5分别铰接设置在所述横梁401的两端；所述第二待测合金块组包括两个第二待测合金块6，两个所述第二待测合金块6分别铰接设置在所述竖梁402的两端。这样，第一待测合金块5尺寸为25mm*25mm*50mm，第二待测合金块6尺寸为25mm*25mm*40mm，在实验中，尽量保证第一待测合金块5和第二待测合金块6的长和宽一致，高度有所区别，变量控制在一个，在磨损消耗后转算磨损高度时的误差可以降至最低；另外需要说明的一点是：本申请中横梁401和竖梁402垂直交叉设置，这样，两个第一待测合金块5和两个第二待测合金块6均相对于横梁401和竖梁402交叉位置中心对称，可以有效避免任意相邻两个待测合金块之间由于过近导致测量精准度下降，进而保证实验数据在测量阶段的准确性。

本发明的砂卵石地层磨损系数测量装置，如图1-图3所示，在前面描述的技术方案的基础上还可以是：所述固定架4还包括传动杆403，所述传动杆403一端与所述驱动电机3的输出轴固定连接，所述传动杆403的中心轴线与所述驱动电机3的输出轴的中心轴线在一条直线上，所述传动杆403的另一端垂直连接设置所述横梁401和竖梁402的交叉位置。这样，设置传动杆403是为了保证固定架4在承载单元2内部下降工作时，承载单元2内部的土体不与驱动电机3发生干涉，若发生干涉现象，会影响到扭矩传感器、推力传感器、压力传感器的测量结果，为避免出现上述情况，本申请设置传动杆403进行传动，以保证数据有效测量。其中传动杆403采用圆形空心钢管，尺寸为φ25mm×2mm。

本发明的砂卵石地层磨损系数测量装置，如图1-图3所示，在前面描述的技术方案的基础上还可以是：所述基本框架1包括底板101和支架102，所述底板101设置在所述支架102的底部，所述底板101与所述支架102固定连接或一体成形，所述承载单元2固定设置在所述底板101上，所述驱动电机3可上下滑动设置在所述支架102上。这样，设置底板101以适应不同工作环境的地面，尽量保证整个设备与地面的有效接触面积，避免工作过程中出现晃动现象，支架102选用两条，均垂直设置在底板101上，承载单元2放置在两条支架102的中间位置，两条支架102在内层表面上设置滑轨，滑轨提供的上下移动的行程为1500mm，为了驱动电机3方便在支架102上下滑动，驱动电机3固定安装在横杆103上，横杆103的两端与两条支架102上的滑轨滑动配合，横杆103的驱动方式可以采用齿轮链条配合方式，也可以采用电动推杆方式，也可以采用液压油管方式进行驱动，其驱动方式选用市面常规驱动结构即可，申请人不做过多赘述，本申请中的承载单元2为缸体结构，材质为q245钢，壁厚20mm，内腔尺寸为φ1000mm×1000mm。

如图4所示，本发明提供一种砂卵石地层磨损系数测量装置的测量方法，包括如下步骤，将原状土通过土体注入单元注入承载单元2；记录待测合金块组的初始重量后安装在固定架4上；将固定架4放置在原状土表面，启动驱动电机3，驱动固定架4向下移动指定行程；将待测合金块组从固定架4上拆卸并记录待测合金块组的磨损后重量；根据待测合金块组磨损前后重量差计算磨损高度，并根据数据检测组件所检测的数据计算待测合金块组的轨迹长度；根据磨损高度及轨迹长度绘制磨损曲线，计算得到磨损系数。这样，用电子天枰对待测合金块组进行精确称重，并将其安装固定在固定架4上，将待测合金块组置于承载单元2中原状土体表面，并在上方加载与实际工况相匹配的荷载条件，设定驱动电机3转速、驱动电机3下行速度，开启驱动电机3，当驱动电机3向下运动完成指定行程时，将固定架4提出承载单元2，拆下待测合金块组并清理待测合金块组表面附着的土，并称重记录，记录待测合金块组的磨损后重量，需要对实验数据进行处理，计算待测合金块组的轨迹长度；根据磨损高度及轨迹长度绘制磨损曲线，计算得到硬质合金在砂卵石地层中的磨损系数。

实施例

以北京新机场线磁一区间隧道穿越地层为例：

北京新机场线磁一区间隧道穿越地层主要为：粉细砂、粉质黏土、粉细砂、卵石圆砾、粉质黏土、黏土、砂质粉土、细中砂、卵石圆砾。其中穿越卵石圆砾和卵石圆砾合金块磨损最为严重。卵石圆砾：密实，粒径2-4cm，最大13cm，粒径大于2cm含量60％，中粗砂充填。卵石圆砾：密实，粒径3-6cm，最大18cm，粒径大于2cm含量大于65-75％，中粗砂充填。在现场取得原状土，对其进行磨损系数测定试验。

试验步骤如下：

(1)调试装置中的驱动电机3、空气注入单元7、膨润土注入单元8、加载单元及数据检测组件，确保其能正常工作。

(2)用电子天枰对第一待测合金块5和第二待测合金块6进行精确称重，将两块第一待测合金块5和两块第二待测合金块6的重量的平均值记作mo和mo，并将其分别安装固定在横梁401和竖梁402两端。

(3)对待测定原状土进行物理参数测定，包括：干密度、级配、含水率等，装进设备承载单元2后对其进行预压等处理，使其与原状土的物理力学性质尽量吻合。

(4)将带有第一待测合金块5和第二待测合金块6的横梁401和竖梁402置于承载单元2中原状土体表面，并在上方加载与实际工况相匹配的荷载条件。

(5)设定驱动电机3转速ω、驱动电机3下行速度v。开启驱动电机3，开始磨损系数测定，驱动电机3转动时要保证正转反转时间相同，并通过数据采集系统实时收集推进力、扭矩等试验相关数据。

(6)当驱动电机3向下运动完成整个行程(单行程为1m)时，将第一待测合金块5和第二待测合金块6提出承载单元2，分别拆下并清理合金块表面附着的土，并称重记录，将两块第一待测合金块5和两块第二待测合金块6的重量的平均值记作m1和m1。

(7)重复步骤6的步序，当驱动电机3带动横梁401和竖梁402向下运动n个行程后，记录第一待测合金块5和第二待测合金块6的平均重量：mn和mn。

(8)经过n次重复(该重复次数可根据不同的磨损情况调整)，完成磨损系数测定试验。

完成试验后，需要对实验数据进行处理，进而分析得到硬质合金耐磨块在砂卵石地层中的磨损系数。具体分析方法如下所述：

(1)计算得到每一次行程后合金块的磨损质量，第n次行程后第一待测合金块5和第二待测合金块6的磨损质量δmn与δmn，计算公式如公式1、公式2所述。

δmn＝m0-mn(1)

δmn＝m0-mn(2)

(2)将磨损质量换算为磨损高度。第n次行程后第一待测合金块5磨损高度记作hn，第二待测合金块6磨损高度记作hn，其换算公式为

式中s为第一待测合金块5和第二待测合金块6横截面面积，0.025*0.025＝6.25e-4㎡；ρ为第一待测合金块5和第二待测合金块6密度。

(3)计算第一待测合金块5和第二待测合金块6单行程的轨迹长度l，计算方法为

式中r为第一待测合金块5和第二待测合金块6中心到横梁401和竖梁402交叉中心的距离；ω为转动角速度；v为驱动电机3下行速度。

(4)绘制第一待测合金块5和第二待测合金块6的磨损曲线，计算得到正常磨损阶段斜率k，此值即为硬质合金在砂卵石地层中的磨损系数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。