盾构刀盘中切削面材料针对泥浆粘性吸附能力的测试方法与流程

1.本发明涉及盾构刀盘性能检测方法领域，特别是一种盾构刀盘中切削面材料针对泥浆粘性吸附能力的测试方法。


背景技术：

2.在盾构掘进作业中，隧道顶部地层主要为粉质黏土、粉细砂、黏土、角砾土、卵石土。隧道穿越地层有：粉质黏土占16%、粉细砂占11%、黏土占8%、角砾土占15%、卵石土占5%、强风化泥岩占25%、中风化泥岩占14%、中等风化含砾泥质砂岩占2%。局部位置还存在岩溶。
3.粘土、强~中风化泥岩含有大量粘性矿物，土体附着力强。粘性颗粒具有一定的吸水膨胀和吸附能力，刀具切削下的黏土极易附着于刀盘面板、刀盘开口位置，不易环流出仓，易出现滞排，在仓底形成堆积底仓的情况，附着在刀盘上的粘性土在挤压作用下在刀盘面板形成泥饼，结泥糊死刀盘开口，造成仓内循环不畅，导致掘进功效降低，盾构含粘土、泥岩地层中掘进长度超过2400米，该工程盾构掘进过程中刀盘结泥饼防控是重难点。
4.而现阶段中，对刀盘结泥饼数据的分析和预判主要集中在通过对现场工况的模拟，比如已公开的中国专利文件中，申请号为cn201810116195.4的名为一种用于土压平衡盾构刀盘结泥饼模拟的试验装置及方法的专利，通过模拟特定土体中盾构的掘进，调整刀具布置和施工参数，观察泥饼的分布和形态情况，从而为研究泥饼现象产生机理和泥饼预防及处置方法提供依据。又比如申请号为cn 202110140730.1，名为一种用于调控盾构刀盘结泥饼的模拟系统，也是通过对刀盘的模拟，为泥饼预防及处置方法提供依据。
5.然而申请人认为，现阶段的技术主要在于模拟刀盘系统，测量刀盘上实时的温度，压力，然后结合样本情况对刀盘进行改进，然而实际操作中都知道，刀盘上切削角，和切削温度，可调节空间其实很低，在大多数时候并不能完全做出合适的调整。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了解决现有技术中切削面容易发生泥浆拥堵，而关于切削面的材质选取缺少检测方法，难以检测的问题。
7.本发明的具体方案是：包括如下步骤：（1）黏土配制：（a）称取天然黏土或模拟盾构现场成本黏土300g，倒入搅拌桶中；（b）称取ⅱ级膨润土20g，倒入上述搅拌桶中，并在60-120转/分钟的速度下，经由电机搅拌均匀；（c）用量筒量取自来水100ml，缓慢倒入上述搅拌桶中，再次在60-120转/分钟的速度下搅拌均匀；（5）将配置好的黏土盛入干燥的样品盒中，称取黏土和样品盒的总质量；（2）黏土滑动启动角测试:（a）选取与切削面材质相同的的仿切削面面板作为实验板，实验板的相对于水平面安装倾角首先调整到0
°
，然后将盛有黏土的样品盒放置于钢板面的上部，拉力计的两端一端挂装于样品盒内，另一端挂装于实验板的边缘；（b）通过使实验板实现自转，逐渐调整实验板的旋转倾角，直到样品盒在钢板表面开始转动，记录滑动启
动角，并同时测出拉力计的拉力，通过计算转化为钢板对黏土的摩擦力；（c）使用相同的步骤，使实验板的转轴的的安装倾角分别调整到5
°
和10
°
以模拟刀头倾斜的情况，做重复试验，并记录数据，得出黏土启动角及启动拉力试验数据；（3）数据分析，得出安装倾角对启动角的影响，验证该实验板的材料的泥浆粘性吸附能力。
8.还包括步骤（4）调节，所述步骤（4）调节包括当步骤（3）中的结果中，任一安装角下的启动角大于30度时，引入辅助板提升切削面摩擦力，辅助板和切削面间经由内六角螺栓和螺孔相固定，辅助板性能的测试方法如步骤（1）到（3）所示所述步骤2内，自转的转速小于6转/分钟。
9.步骤（1）中替换为用量筒量取自来水20ml，形成黏土b，之后测量所述黏土b在样品盒内情况下实验板上的滑动启动角在步骤（1）前增加前置步骤，所述前置步骤包括取现场提取黏土500g。
10.还包括步骤（5）疲劳测试，所述步骤（5）包括控制实验板在启动角内双向转动3天以上，之后测量实验板上，样品盒所在区域的表面摩擦度和平面度误差。
11.实验板由逐层的材质钢、钼钒合金、65mn，铬镍合金之二叠装形成。
12.有益效果在于：不同于现有技术，首次提出研究泥饼，然后根据泥饼的数据找到最适合当年泥饼的钢片，进一步的钢片相当于在刀头上增加了一层利于泥浆滑动的钢化膜，同时钢化膜本身拥有一套检测平台，得以在不同的工况下实时的调节和更换，大大提高了改变刀头性质的改变空间；具体的，在刀头的前刀面，也就是主工作面上安装的刀片，由于其有着优越的表面摩擦度低的特性，可以大大减少泥浆在主切削面的附着，同时刀片材质不同，可以适合不同要求不同挖掘土层的要求，在保证成本的同时，最大化的避免泥浆在钢片上由于往复跳动导致的堵塞；本发明中，通过对切削面和泥浆间的泥浆粘性的研究，得出什么材料，在什么角度交会存在往复的涌流，而往复的涌流就是泥浆通道拥堵的关键，在本发明的研究出，得出不同材质的刀片在不同的工作环境下的泥浆粘性的数据，可以判定未来在具体的工作中会不会法中泥浆通道拥堵，如果存在隐患，也能及时提出解决方法，更换刀头切削面的材质，并同时验证解决方法是否合理。
附图说明
13.图1是本发明中试验安装的初始位置的示意图；图2是模拟盾构刀盘适当转向的示意图；图3是盾构刀盘的示意图；图中各部件名称：1.实验板；2.拉力计；3.样品盒；4.转轴；5.试验台；6切削面。
具体实施方式
14.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
15.实施例1
一种盾构刀盘中切削面材料针对泥浆粘性吸附能力的测试方法，包括如下步骤：（1）黏土配制：（a）称取天然黏土或模拟盾构现场成本黏土300g，倒入搅拌桶中；（b）称取ⅱ级膨润土20g，倒入上述搅拌桶中，并在60-120转/分钟的速度下，经由电机搅拌均匀；（c）用量筒量取自来水100ml，缓慢倒入上述搅拌桶中，再次在60-120转/分钟的速度下搅拌均匀；（5）将配置好的黏土盛入干燥的样品盒中，称取黏土和样品盒的总质量；（2）黏土滑动启动角测试:（a）选取与切削面材质相同的的仿切削面面板作为实验板，实验板的相对于水平面安装倾角首先调整到0
°
，然后将盛有黏土的样品盒放置于钢板面的上部，拉力计的两端一端挂装于样品盒内，另一端挂装于实验板的边缘；（b）通过使实验板实现自转，逐渐调整实验板的旋转倾角，直到样品盒在钢板表面开始转动，记录滑动启动角，并同时测出拉力计的拉力，通过计算转化为钢板对黏土的摩擦力；（c）使用相同的步骤，使实验板的转轴的的安装倾角分别调整到5
°
和10
°
以模拟刀头倾斜的情况，做重复试验，并记录数据，得出黏土启动角及启动拉力试验数据；（3）数据分析，得出安装倾角对启动角的影响，验证该实验板的材料的泥浆粘性吸附能力。
16.还包括步骤（4）调节，所述步骤（4）调节包括当步骤（3）中的结果中，任一安装角下的启动角大于30度时，引入辅助板提升切削面摩擦力，辅助板和切削面间经由内六角螺栓和螺孔相固定，辅助板性能的测试方法如步骤（1）到（3）所示。
17.所述步骤2内，自转的转速小于6转/分钟。
18.步骤（1）中替换为用量筒量取自来水20ml，形成黏土b，之后测量所述黏土b在样品盒内情况下实验板上的滑动启动角在步骤（1）前增加前置步骤，所述前置步骤包括取现场提取黏土500g。
19.还包括步骤（5）疲劳测试，所述步骤（5）包括控制实验板在启动角内双向转动3天以上，之后测量实验板上，样品盒所在区域的表面摩擦度和平面度误差。
20.试验过程中还用到一个模拟试验台，模拟实验台，包括试验台架，所述试验台架包括下部存储支撑区和上部设备倾角区，所述下部存储支撑区和上部设备倾角区间设有合页结构部件连接的铰支连接，所述上部设备倾角区内安装有双向电机带动的实验板支撑台，所述实验板支撑台安装在门型支架上，包括底部的转轴、安装于底部转轴上的卡爪，所述卡爪夹装长40到60cm，宽40到60cm的实验板；所述转轴经由轴承安装在所述门型支架的顶端，其输入端连接所述双向电机的输出轴，所述实验板与所述钢板材质相对应下面以单次的工作过程举例：首先进行黏土配制：（1）称取天然黏土300g，倒入搅拌桶中；（2）称取ⅱ级膨润土20g，倒入上述搅拌桶中，并搅拌均匀；3）用量筒量取自来水100ml，缓慢倒入上述搅拌桶中，并搅拌均匀；4）将配置好的黏土盛入干燥的样品盒中，称取黏土和样品盒的总质量。
21.其次，进行黏土滑动启动角测试，调节上部设备倾角区，使经过特殊加工的实验板的安装倾角首先调整到0
°
，然后将盛有黏土的样品盒放置于钢板面的上部；（2）通过控制系统，逐渐调整钢板的旋转倾角，直到黏土在钢板表面开始转动，记录滑动启动角，并同时测出拉力计的拉力，通过计算转化为钢板对黏土的摩擦力；（3）使用相同的步骤，使钢板的安
装倾角分别调整到5
°
和10
°
，做重复试验，并记录数据，具体数据如表1。
22.表1 黏土启动角及启动拉力试验数据之后进行数据分析：基于实验数据，分析了安装倾角对黏土滑动启动角的影响，研究发现，在该实验条件下，随着安装倾角的增大，黏土滑动启动倾角逐渐减小，即随着安装倾角的增大，越来越有利于黏土从钢板表面滑落，以q345钢板，ra0.012为代表，画出安装倾角对黏土滑动启动倾角的影响关系曲线。ra0.012等于粗糙度为0.012。
23.再进一步的，可以分析钢材特性对启动角的影响：本次研究钢材的特性主要包括钢材的种类和光洁度的影响，根据数据分析，可以得出针对同一种钢材，当光洁度不同时，对黏土的滑动的启动倾角有较大影响，即光洁度越好，同等条件下，其启动角越小，即相同的滑移长度下，能为黏土在钢板的滑动争取更多的时间；通过曲线q345（ra0.012）与钼钒合金曲线（ra0.012）对比，曲线q345（ra0.2）与钼钒合金曲线（ra0.2）对比，可以得出对于同一光洁度的不同钢材，钼钒合金钢板较q345钢板具有更好的防结泥饼效果。钼钒合金具体的可以是cr12、cr16、cr20，q235也可以替换为q225，q245。之后在结合现场情况，结合成本控制，选取最合适的材料作为切削面。能为切削面的方式可以是直接采用材料成型，也可以采用贴片的方式。
24.更进一步的，实施钢材特性对黏土滑动摩擦力的影响分析。
25.鉴于室内试验钢板对黏土的滑动摩擦力不容易直接获得，采用直接测定黏土滑动时测定其拉力的方式，依据f
下滑力
=f
拉力
+f
摩擦力
，换算得到黏土下滑时的摩擦力。即当下滑力一定的情况下，测得的拉力越大，黏土下滑收到的摩擦力越小，越不容易结泥饼。本次分析为
便于计算，均采用安装倾角为0
°
的情况进行分析，黏土盒样品盒的总质量为286g，具体拉力测试数据及计算的摩擦力见表4，通过q345（ra0.012）与q345（ra0.2）摩擦力数据对比，以及钼钒合金（ra0.012）与钼钒合金（ra0.2）摩擦力数据对比可知，同一种钢板，光洁度越高，摩擦力越小；通过q345（ra0.012）与钼钒合金（ra0.012）摩擦力数据对比，以及q345（ra0.2）与钼钒合金（ra0.2）摩擦力数据对比可知，当光洁度相同时，钼钒合金钢板上黏土所受的摩擦力小于q345钢板上的摩擦力。
26.表2 安装倾角0
°
下不同材料和光洁面的摩擦力统计表更进一步的，实施刀盘转速对泥饼的影响测试分析。
27.5.2.1 试验步骤（1）称取配置好的黏土，固定好黏土和钢板的接触面积，确保每次试验接触面积保持一致，然后用相同的力压黏土上面，使黏土与钢板粘和；（2）调节多功能钢板夹持装置，使其以不同的速度旋转，记录黏土在钢板的滑动情况；（3）称取不同质量的黏土，重复上述试验。
28.5.2.2 数据分析通过上述试验，获得了针对同一种钢板，同一种光洁度的刀盘转速对不同质量黏土滑动影响的数据，并记录了试验现象。试验数据具体如表3所示。从表中数据分析可知，对于单位面积上的固定质量，钢板转速越快，越不利于黏土的滑落，越容易堆积，形成泥饼，试验中的具体现象为随着钢板转速的提高，黏土在0-360
°
转动的过程中会发生来回摆动而不脱落，当钢板的转速在临界转速以下时，泥土在0-180
°
转动的过程中即从钢板边缘滑下。
29.表3 钢板转速对黏土滑动影响数据统计表
由于不同质量的黏土和钢板的接触面积一样，可以用单位面积黏土质量与钢板转速形成对应关系，以便为现场盾构机掘进贯入度和刀盘转速设定提供参数依据。
30.表4 k与钢板黏土滑落临界转速的对应关系基于表4中的数据，对数据进行拟合处理。
31.在具体的工作中，在下部存储支撑区上方搭装板材以承接掉落的泥饼。最后，针对以黏土为材料的情况下，得出试验结论及建议（1）针对同一块钢板的不同安装倾角，安装倾角越大，黏土滑动的启动角越小，越有利于黏土的排出。建议安装倾角在保证刀盘开口处强度的情况下，适当加大一下刀盘开口处钢材的坡角。
32.（2）针对同一种钢板的不同光洁度，表面光洁度越高，同一安装倾角的条件下，黏土滑动启动角越小，越有利于黏土地层渣土的排出。建议现有盾构机刀盘开口处粗糙的钢板面加装高光洁度镜面钢板，开展现场试验。
33.（3）通过q345钢板与钼钒合金钢板试验的对比，在防结泥饼方面，钼钒钢板比q345钢板具有更好的性能，但和传统的钢材粗糙面相比，两种钢材均能体现出明显的优势。建议在现场刀盘对撑的部位，分别加装两种钢板进行试验，以判断后期使用何种材料更为经济合理。
34.（4）刀盘转速对黏土在钢板上的滑落具有较大影响，针对一定单位面积质量的黏土，当刀盘转速在临界转速以下时，黏土可以顺利的从钢板边缘滑下，当刀盘转速在临界转速以上时，黏在表现为随着钢板的360
°
转动而左右摆动，不易从钢板表面滑落。建议现场掘进到易结泥饼地层时，根据渣量的大小，适时调整刀盘的转速。
35.在具体实施中，沿用上述方法，可以得出针对不同土质下的有针对性的结论，从而结合成本控制，选择最合适的材料作为钢片铺设在盾构切削的主切削面上，调节并改善泥留的通道情况。
36.图2中的角度模拟的是隧洞倾斜，刀头转向的情况。
37.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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。