岩石对tbm滚刀刀圈的磨蚀性测试方法
【专利摘要】本发明公开一种岩石对TBM滚刀刀圈的磨蚀性测试方法，该方法包括：将待测岩石加工制作成预设形状和尺寸的岩石试样；采用与TBM滚刀刀圈相同的材料加工得到滚刀刀圈试样，并对滚刀刀圈试样进行与TBM滚刀刀圈相同的热处理操作；确定热处理后的滚刀刀圈试样的质量，将该质量作为第一质量；将热处理后的滚刀刀圈试样与岩石试样进行对摩；确定对摩后的滚刀刀圈试样的质量，将该质量作为第二质量；确定岩石试样对滚刀刀圈试样的磨蚀性系数，并将该磨蚀性系数作为待测岩石对TBM滚刀刀圈的磨蚀性系数。本发明可以保证滚刀刀圈试样与岩石试样之间的对摩过程接近工况条件下TBM滚刀刀圈破碎岩石的过程，即进行实际工况的模拟，提高测试方法的可靠性和准确性。
【专利说明】
岩石对TBM滚刀刀圈的磨蚀性测试方法
技术领域
[0001]本发明涉及隧道工程技术领域，具体涉及一种岩石对TBM滚刀刀圈的磨蚀性测试 方法。
【背景技术】
[0002] 全断面隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，TBM)是一种专门用于硬岩地层隧道 开挖的隧道掘进机。TBM掘进时，主要依靠安装在TBM刀盘上的滚刀对岩石进行滚压破碎。 TBM滚刀滚压破碎岩石时，滚刀刀圈是与岩石直接接触并作用的部件，滚刀刀圈的耐磨性直 接影响滚刀的破岩效率和使用寿命。然而，滚刀刀圈的耐磨性不仅取决于滚刀刀圈自身的 性能，还受其作用对象岩石特性的影响，其中，岩石的磨蚀性是一个极重要的影响因素。
[0003] 在隧道工程领域，Cerchar划痕试验是一种被广泛认可的岩石磨耗性试验。该试验 的原理是在一根锥角为90°的钢针上施加70N的载荷，然后使钢针在被测岩样平滑表面上以 10mm/min的速度滑动10mm，测量钢针针尖磨后的宽度，以l/10mm为单位，即为岩样的 Cerchar磨耗性指数。将上述测定岩石磨耗性的试验用于评估岩石对TBM滚刀刀圈的磨蚀性 时会存在以下问题:所用钢针的材料和性能与实际TBM滚刀刀圈的材料和性能不具有可比 性;钢针与被测岩样之间的相对运动方式和相对运动速度大小与实际工况下TBM滚刀刀圈 与岩石之间的相对运动方式和相对运动速度大小也不具有可比性;另外磨后钢针针尖的宽 度测量会存在较大误差。因此，Cerchar磨耗性指数不能够准确反映岩石对TBM滚刀刀圈的 磨蚀性强弱。
【发明内容】
[0004] 针对以上缺陷，本发明提供一种岩石对TBM滚刀刀圈的磨蚀性测试方法，以提高岩 石对TBM滚刀刀圈磨蚀性的测试的准确性。
[0005] 本发明提供的岩石对TBM滚刀刀圈的磨蚀性测试方法包括：
[0006] 将待测岩石加工制作成预设形状和尺寸的岩石试样；
[0007] 采用与所述TBM滚刀刀圈相同的材料加工得到滚刀刀圈试样，并对所述滚刀刀圈 试样进行与所述TBM滚刀刀圈相同的热处理操作；
[0008] 确定热处理后的滚刀刀圈试样的质量，将该质量作为第一质量；
[0009] 将热处理后的滚刀刀圈试样与所述岩石试样进行对摩，且在对摩过程中所述滚刀 刀圈试样与所述岩石试样之间的接触应力、相对运动方式和相对运动速度大小与工况条件 下所述TBM滚刀刀圈与所述待测岩石之间的接触应力、相对运动方式和相对运动速度大小 分别对应相同；
[0010] 确定对摩后的滚刀刀圈试样的质量，将该质量作为第二质量；
[0011] 根据所述第一质量和所述第二质量，确定所述岩石试样对所述滚刀刀圈试样的磨 蚀性系数，并将所述磨蚀性系数作为所述待测岩石对所述TBM滚刀刀圈的磨蚀性系数。
[0012] 可选的，采用下式确定所述岩石试样对所述滚刀刀圈试样的磨蚀性系数：
[0013]
[0014] 其中，k为磨蚀性系数，mi为所述第一质量，m2为所述第二质量，V为对摩后所述岩石 试样中破碎的岩石的体积。
[0015] 可选的，对摩后所述岩石试样中破碎的岩石的体积根据所述滚刀刀圈试样压入所 述岩石试样的深度、所述滚刀刀圈试样的厚度及破碎的岩石的长度确定。
[0016] 可选的，将热处理后的滚刀刀圈试样与所述岩石试样进行对摩，包括：
[0017] 将热处理后的滚刀刀圈试样安装在TBM滚刀性能测试试验台的驱动轴上；
[0018] 将所述岩石试样放置在所述驱动轴下方的岩石料仓内；
[0019]启动TBM滚刀性能测试试验台的垂直加载油缸，将热处理后的滚刀刀圈试样压入 所述岩石试样至预设深度；
[0020] 启动与所述驱动轴通过联轴器连接的液压马达和所述岩石试样的纵向进给油缸， 调节所述驱动轴的转速和所述纵向进给油缸的进给速度，使热处理后的滚刀刀圈试样与所 述岩石试样按TBM滚刀工况对摩。
[0021] 可选的，该方法还包括：
[0022]在热处理后的滚刀刀圈试样与所述岩石试样的对摩过程中，采用压力传感器采集 所述滚刀刀圈试样的受力，采用振动传感器采集所述滚刀刀圈试样的振动幅度，和/或采用 红外热成像仪记录所述滚刀刀圈试样的温度变化。
[0023]可选的，所述确定热处理后的滚刀刀圈试样的质量，包括：
[0024] 对热处理后的滚刀刀圈试样进行清洗、干燥和称重，得到热处理后的滚刀刀圈试 样的质量。
[0025] 可选的，所述确定对摩后的滚刀刀圈试样的质量，包括：
[0026] 对对摩后的滚刀刀圈试样进行清洗、干燥和称重，得到对摩后的滚刀刀圈试样的 质量。
[0027]可选的，所述热处理操作，包括：
[0028] 对所述滚刀刀圈试样进行两次预热；
[0029] 对预热后的滚刀刀圈试样进行真空淬火；
[0030] 对真空淬火后的滚刀刀圈试样进行两次真空回火。
[0031 ] 可选的，所述滚刀刀圈试样为圆环状，圆环内径为50mm，圆环外径为140mm，厚度为 5mm;所述滚刀刀圈试样的内侧壁上沿厚度方向开设有两个相对设置的通槽，所述通槽的宽 度为16mm，深度为4mm。
[0032] 可选的，所述预设形状为长方体。
[0033] 本发明提供的岩石对TBM滚刀刀圈的磨蚀性测试方法中，利用滚刀刀圈试样在对 摩前后的质量确定待测岩石对滚刀刀圈试样的磨蚀性系数，将该磨蚀性系数作为待测岩石 对TBM滚刀刀圈的磨蚀性系数，实现岩石对TBM滚刀刀圈的磨蚀性测试。其中，滚刀刀圈试样 采用与TBM滚刀刀圈相同的制作用料、热处理操作，其目的是得到与TBM滚刀刀圈具有相同 性能的滚刀刀圈试样，利用这样的滚刀刀圈试样进行磨蚀性测试，得到的磨蚀性系数比较 准确。而且，在对摩过程中，滚刀刀圈试样与岩石试样之间的接触应力、相对运动方式和相 对运动速度大小与工况条件下TBM滚刀刀圈与待测岩石之间的接触应力、相对运动方式和 相对运动速度大小分别对应相同，可以保证滚刀刀圈试样与岩石试样之间的对摩过程接近 工况条件下TBM滚刀刀圈破碎岩石的过程，即进行实际工况的模拟，提高测试方法的可靠性 和准确性。
【附图说明】
[0034] 通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征信息和优点，附图是示意性的而不 应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
[0035] 图1为根据本发明岩石对TBM滚刀刀圈的磨蚀性测试方法一实施例的流程示意图。
【具体实施方式】
[0036] 为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实 施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施 例及实施例中的特征可以相互组合。
[0037] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可 以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开 的具体实施例的限制。
[0038]本发明提供一种岩石对TBM滚刀刀圈的磨蚀性测试方法，如图1所示，该方法包括：
[0039] S101、将待测岩石加工制作成预设形状和尺寸的岩石试样；
[0040] S102、采用与TBM滚刀刀圈相同的材料加工得到滚刀刀圈试样，并对滚刀刀圈试样 进行与TBM滚刀刀圈相同的热处理操作；
[0041] S103、确定热处理后的滚刀刀圈试样的质量，将该质量作为第一质量；
[0042] S104、将热处理后的滚刀刀圈试样与岩石试样进行对摩，且在对摩过程中滚刀刀 圈试样与岩石试样之间的接触应力、相对运动方式和相对运动速度大小与工况条件下TBM 滚刀刀圈与待测岩石之间的接触应力、相对运动方式和相对运动速度大小分别对应相同； [0043]可理解的是，在对摩过程中滚刀刀圈试样与岩石试样之间的接触应力、相对运动 方式和相对运动速度大小与工况条件下TBM滚刀刀圈与待测岩石之间的接触应力、相对运 动方式和相对运动速度大小分别对应相同，即对摩过程中滚刀刀圈试样与岩石试样之间的 接触应力与工况条件下TBM滚刀刀圈与待测岩石之间的接触应力相同，对摩过程中滚刀刀 圈试样与岩石试样之间的相对运动方式与工况条件下TBM滚刀刀圈与待测岩石之间的相对 运动方式相同，对摩过程中滚刀刀圈试样与岩石试样之间的相对运动速度大小与工况条件 下TBM滚刀刀圈与待测岩石之间的相对运动速度大小相同。
[0044] S105、确定对摩后的滚刀刀圈试样的质量，将该质量作为第二质量；
[0045] S106、根据第一质量和第二质量，确定岩石试样对滚刀刀圈试样的磨蚀性系数，并 将该磨蚀性系数作为待测岩石对TBM滚刀刀圈的磨蚀性系数。
[0046] 本发明提供的岩石对TBM滚刀刀圈的磨蚀性测试方法中，利用滚刀刀圈试样在对 摩前后的质量确定待测岩石对滚刀刀圈试样的磨蚀性系数，将该磨蚀性系数作为待测岩石 对TBM滚刀刀圈的磨蚀性系数，实现岩石对TBM滚刀刀圈的磨蚀性测试。其中，滚刀刀圈试样 采用与TBM滚刀刀圈相同的制作用料、热处理操作，其目的是得到与TBM滚刀刀圈具有相同 性能的滚刀刀圈试样，利用这样的滚刀刀圈试样进行磨蚀性测试，得到的磨蚀性系数比较 准确。而且，在对摩过程中，滚刀刀圈试样与岩石试样之间的接触应力、相对运动方式和相 对运动速度大小与工况条件下TBM滚刀刀圈与待测岩石之间的接触应力、相对运动方式和 相对运动速度大小分别对应相同，可以保证滚刀刀圈试样与岩石试样之间的对摩过程接近 工况条件下TBM滚刀刀圈破碎岩石的过程，即进行实际工况的模拟，提高测试方法的可靠性 和准确性。
[0047]在具体实施时，TBM滚刀刀圈可采用H13钢加工制作，因此滚刀刀圈试样可以采用 H13钢加工制作。
[0048] 在具体实施时，可以采用下式确定岩石试样对滚刀刀圈试样的磨蚀性系数：
[0049]
[0050] 其中，k为磨蚀性系数，mi为第一质量，m2为第二质量，V为对摩后岩石试样中破碎的 岩石的体积。
[0051] 利用上述公式计算磨蚀性系数，简单、方便。
[0052] 在具体实施时，对摩后岩石试样中破碎的岩石的体积可以根据滚刀刀圈试样压入 岩石试样的深度、滚刀刀圈试样的厚度及破碎的岩石的长度确定，当然还可以采用其他方 法确定破碎的岩石的体积。
[0053]在具体实施时，S104中将热处理后的滚刀刀圈试样与岩石试样进行对摩的过程可 以包括：
[0054]将热处理后的滚刀刀圈试样安装在TBM滚刀性能测试试验台的驱动轴上；
[0055]将岩石试样放置在驱动轴下方的岩石料仓内；
[0056]启动TBM滚刀性能测试试验台的垂直加载油缸，将热处理后的滚刀刀圈试样压入 岩石试样至预设深度；
[0057]启动与驱动轴通过联轴器连接的液压马达和岩石试样的纵向进给油缸，调节驱动 轴的转速和纵向进给油缸的进给速度，使热处理后的滚刀刀圈试样与岩石试样按TBM滚刀 工况对摩。
[0058] 这里，采用TBM滚刀性能测试试验台进行滚刀刀圈试样与岩石试样的对摩，由于 TBM滚刀性能测试试验台能够精准控制测试时滚刀刀圈试样的切深、垂直方向载荷，还能主 动对滚刀刀圈试样施加冲击振动，能够模拟TBM滚刀刀圈的实际工况，提高测试的准确性。 例如，滚刀刀圈试样压入对摩岩石试样的深度约为1 .〇mm，以模拟实际工况下17寸滚刀贯入 度为8.0mm时滚刀刀圈与岩石的接触应力。再例如，驱动轴转速为10.5r/min，岩石试样平均 进给速度为6.7mm/min，以模拟实际工况下TBM刀盘的转速为5r/min，安装半径为4m左右的 17寸滚刀贯入度为8.0mm时滚刀刀圈与岩石的相对运动。
[0059] 在具体实施时，本发明提供的方法还可以包括：
[0060] 在热处理后的滚刀刀圈试样与岩石试样的对摩过程中，采用压力传感器采集滚刀 刀圈试样的受力，采用振动传感器采集滚刀刀圈试样的振动幅度，和/或采用红外热成像仪 记录滚刀刀圈试样的温度变化。
[0061] 这里，对对摩过程中滚刀刀圈试样的受力、振动幅度和/或温度变化进行采集、记 录等，便于后续分析不同类型的岩石对滚刀刀圈磨蚀性不同的原因等。
[0062]在具体实施时，S103中确定热处理后的滚刀刀圈试样的质量可以包括：
[0063] 对热处理后的滚刀刀圈试样进行清洗、干燥和称重，得到热处理后的滚刀刀圈试 样的质量。
[0064]这里在称重之前对滚刀刀圈试样进行清洗和干燥，避免在热处理过程中的残留下 的油渍、污渍等对称重结果造成影响，以提高称重的准确性。
[0065] 在具体实施时，S105中确定对摩后的滚刀刀圈试样的质量可以包括：
[0066] 对对摩后的滚刀刀圈试样进行清洗、干燥和称重，得到对摩后的滚刀刀圈试样的 质量。
[0067] 在对摩之后，滚刀刀圈试样的表面会有岩粉残留，对滚刀刀圈试样进行清洗和干 燥，以提高称重的准确性。
[0068] 在具体实施时，S102中热处理操作可以包括：
[0069] 对滚刀刀圈试样进行两次预热；
[0070] 对预热后的滚刀刀圈试样进行真空淬火；
[0071 ] 对真空淬火后的滚刀刀圈试样进行两次真空回火。
[0072]在具体实施时，根据实际中TBM滚刀刀圈的预热温度和时长确定两次预热的温度 和时长，例如实际中TBM滚刀刀圈的两次预热的温度和时长分别为600-650°C和1.5-2h、 800-850°C和1.5-2h，则对滚刀刀圈试样进行两次预热的温度和时长分别为：600°C和2h、 850 °C和2h。根据实际中TBM滚刀刀圈的真空淬火温度和时长确定滚刀刀圈试样的真空淬火 温度和时长，例如，实际中TBM滚刀刀圈的真空淬火温度和时长为1050-1120 °C和3-4h，对滚 刀刀圈试样的真空淬火温度和时长分别为1120 °C和4h。根据实际中TBM滚刀刀圈的真空回 火温度和时长确定滚刀刀圈试样的真空回火温度和时长，例如，实际中TBM滚刀刀圈的真空 回火温度和时长为520-600°C和2-3h，对滚刀刀圈试样的两次真空回火温度和时长分别为 540°(：和211、520°(：和211。
[0073]在具体实施时，滚刀刀圈试样的形状和尺寸可以根据需要设置，例如符合TBM滚刀 性能测试试验台的结构和尺寸时便于与岩石试样模拟实际工况。例如，滚刀刀圈试样为圆 环状，圆环内径为50mm，圆环外径为140mm，厚度为5mm;滚刀刀圈试样的内侧壁上沿厚度方 向开设有两个相对设置的通槽，通槽的宽度为16mm，深度为4mm。
[0074] 在具体实施时，岩石试样的形状可以根据需要设置，例如大小为900*380*260mm的 长方体。
[0075]在实际应用中，可以利用本发明提供的岩石对TBM滚刀刀圈的磨蚀性测试方法对 同一种岩石对不同性能的TBM滚刀刀圈的磨蚀性进行测试，在测试过程中将不同性能的滚 刀刀圈试样与同一待测岩石的岩石试样进行对摩，可以得到该种岩石对不同性能的TBM滚 刀刀圈的磨蚀性系数。同样的，还可以利用本发明提供的岩石对TBM滚刀刀圈的磨蚀性测试 方法对不同类型的岩石对同一种性能的TBM滚刀刀圈的磨蚀性进行测试，在测试过程中，将 该种性能的滚刀刀圈试样与不同类型的待测岩石的岩石试样进行对摩，通过比较不同类型 的岩石对该种性能的滚刀刀圈的磨蚀性系数，得到该性能的TBM滚刀刀圈比较适合破碎的 岩石。在实际需要时，可以根据岩石对TBM滚刀刀圈的磨蚀性系数计算破碎单位立方岩石所 需滚刀刀圈的数量或建立岩石对TBM滚刀刀圈磨蚀性数据库，为隧道施工单位根据岩石地 质条件合理选择滚刀刀圈和根据滚刀刀圈性能合理用刀以及定制刀具消耗定额提供依据。 [0076]本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的 某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并 且形成不同的实施例。
[0077]虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发 明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求 所限定的范围之内。
【主权项】
1. 一种岩石对TBM滚刀刀圈的磨蚀性测试方法，其特征在于，包括： 将待测岩石加工制作成预设形状和尺寸的岩石试样； 采用与所述TBM滚刀刀圈相同的材料加工得到滚刀刀圈试样，并对所述滚刀刀圈试样 进行与所述TBM滚刀刀圈相同的热处理操作； 确定热处理后的滚刀刀圈试样的质量，将该质量作为第一质量； 将热处理后的滚刀刀圈试样与所述岩石试样进行对摩，且在对摩过程中所述滚刀刀圈 试样与所述岩石试样之间的接触应力、相对运动方式和相对运动速度大小与工况条件下所 述TBM滚刀刀圈与所述待测岩石之间的接触应力、相对运动方式和相对运动速度大小分别 对应相同； 确定对摩后的滚刀刀圈试样的质量，将该质量作为第二质量； 根据所述第一质量和所述第二质量，确定所述岩石试样对所述滚刀刀圈试样的磨蚀性 系数，并将所述磨蚀性系数作为所述待测岩石对所述TBM滚刀刀圈的磨蚀性系数。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用下式确定所述岩石试样对所述滚刀刀 圈试样的磨蚀性系数：其中，k为磨蚀性系数，mi为所述第一质量，m2为所述第二质量，V为对摩后所述岩石试样 中破碎的岩石的体积。3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对摩后所述岩石试样中破碎的岩石的体积 根据所述滚刀刀圈试样压入所述岩石试样的深度、所述滚刀刀圈试样的厚度及破碎的岩石 的长度确定。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将热处理后的滚刀刀圈试样与所述岩石试 样进行对摩，包括： 将热处理后的滚刀刀圈试样安装在TBM滚刀性能测试试验台的驱动轴上； 将所述岩石试样放置在所述驱动轴下方的岩石料仓内； 启动TBM滚刀性能测试试验台的垂直加载油缸，将热处理后的滚刀刀圈试样压入所述 岩石试样至预设深度； 启动与所述驱动轴通过联轴器连接的液压马达和所述岩石试样的纵向进给油缸，调节 所述驱动轴的转速和所述纵向进给油缸的进给速度，使热处理后的滚刀刀圈试样与所述岩 石试样按TBM滚刀工况对摩。5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括： 在热处理后的滚刀刀圈试样与所述岩石试样的对摩过程中，采用压力传感器采集所述 滚刀刀圈试样的受力，采用振动传感器采集所述滚刀刀圈试样的振动幅度，和/或采用红外 热成像仪记录所述滚刀刀圈试样的溫度变化。6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定热处理后的滚刀刀圈试样的质 量，包括： 对热处理后的滚刀刀圈试样进行清洗、干燥和称重，得到热处理后的滚刀刀圈试样的 质量。7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定对摩后的滚刀刀圈试样的质量， 包括： 对对摩后的滚刀刀圈试样进行清洗、干燥和称重，得到对摩后的滚刀刀圈试样的质量。8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热处理操作，包括： 对所述滚刀刀圈试样进行两次预热； 对预热后的滚刀刀圈试样进行真空泽火； 对真空泽火后的滚刀刀圈试样进行两次真空回火。9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述滚刀刀圈试样为圆环状，圆环内径为 50mm，圆环外径为140mm，厚度为5mm;所述滚刀刀圈试样的内侧壁上沿厚度方向开设有两个 相对设置的通槽，所述通槽的宽度为16mm，深度为4mm。10. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设形状为长方体。
【文档编号】G01N5/04GK105973738SQ201610298614
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】夏毅敏, 毛晴松, 张旭辉, 吴才章, 丛国强, 杨端, 郭犇
【申请人】中南大学