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原文传递一种模拟地应力和地热的刀圈磨损试验装置及测试方法

专利名称：	一种模拟地应力和地热的刀圈磨损试验装置及测试方法
摘要：	本发明公开了一种模拟地应力和地热的刀圈磨损试验装置及测试方法。所述刀圈磨损试验装置通过油腔对岩石试样施加不同地应力，通过加热电源智能控制加热板给岩石试样提供不同地热，刀圈的被动回转切割磨损由变频电机带动岩石试样转动实现。采用三向力传感器和刀圈红外测温仪监测刀圈磨损载荷和温度特征。所述测试方法可配合所述刀圈磨损试验装置完成滚刀刀圈在不同地应力和地热条件下的切割磨损试验全过程，可为不同地应力、地热以及地应力和地热耦合条件下的滚刀刀圈耐磨性设计及其磨损寿命预测提供依据。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	湖南;43
申请人：	湖南师范大学
发明人：	张旭辉;颜建强;何谦;夏毅敏;潘家骥
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-31T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-26T00:00:00+0800
申请号：	CN201910466895.0
公开号：	CN110057706A
分类号：	G01N3/56(2006.01);G;G01;G01N;G01N3
申请人地址：	410081 湖南省长沙市岳麓区麓山路36号
主权项：	1.一种模拟地应力和地热的刀圈磨损试验装置，其特征在于：由伸缩油缸(1)，立体机架(2)，岩石红外测温仪(3)，机架支撑筋(4)，横梁支撑筋(5)，横梁(6)，联接板(7)，三向力传感器(8)，刀架螺栓(9)，套筒键(10)，锁紧螺母(11)，套筒(12)，侧向刀架(13)，定位环(14)，刀圈(15)，刀架轴承(16)，刀轴(17)，刀圈键(18)，刀圈红外测温仪(19)，刀架(20)，料仓螺栓(21)，料仓盖(22)，加热板(23)，加热管(24)，供电导线a(25)，岩石试样(26)，密封件a(27)，密封件b(28)，密封件c(29)，油腔(30)，隔油薄膜(31)，油管a(32)，绝热层(33)，料仓(34)，机架底座(35)，油管b(36)，地应力液压泵(37)，加热电源(38)，变频电机(39)，供电导线b(40)，回转接头(41)，支撑轴承(42)，回转轴承(43)组成；伸缩油缸(1)联接在立体机架(2)的中间位置，立体机架(2)的两处直角拐弯处布有机架支撑筋(4)；立体机架(2)与机架底座(35)联接，机架底座(35)固定于地面上；伸缩油缸(1)通过活塞杆与横梁(6)联接，横梁(6)中间位置布有岩石红外测温仪(3)；在横梁(6)上关于其中间位置对称布置有两个横梁支撑筋(5)；横梁(6)下方关于其中间位置对称布有两个联接板(7)，联接板(7)通过螺栓与横梁(6)联接；联接板(7)下方通过三向力传感器(8)与刀架(20)联接；横梁(6)上关于其中间位置对称布有两套相应三向力传感器(8)、刀架(20)、刀圈(15)等部件；刀圈(15)底部与岩石试样(26)接触，岩石试样(26)下方设有加热板(23)，加热板(23)下方连有绝热层(33)，绝热层(33)下方固定联接于料仓(34)内；料仓(34)底部联接在回转接头(41)上，回转接头(41)边缘两侧分别连有回转轴承(43)和支撑轴承(42)，回转轴承(43)主要提供配合回转接头转动，支撑轴承(42)连接在机架底座(35)上；油管a(32)和供电导线a(25)联接于回转接头(41)的上方，回转接头(41)的外圈下方连有油管b(36)和供电导线b(40)，油管b(36)和供电导线b(40)分别与地应力液压泵(37)和加热电源(38)连接；回转接头(41)的正下方通过联轴器与变频电机(39)联接，变频电机(39)与地面固定联接。 2.根据权利要求1所述的一种模拟地应力和地热的刀圈磨损试验装置，其特征在于：刀架(20)正下方中间位置装有刀圈红外测温仪(19)，刀架(20)通过刀架螺栓(9)与侧向刀架(13)联接，刀架(20)和侧向刀架(13)内部装有一对刀架轴承(16)，刀架轴承(16)的内圈连有刀轴(17)，刀轴(17)为阶梯轴可以分别定位刀架轴承(16)和刀圈(15)；刀圈(15)通过刀圈键(18)周向定位于刀轴(17)上，刀圈(15)沿刀轴(17)自由端方向依次布有定位环(14)、套筒(12)、套筒键(10)，锁紧螺母(11)；刀圈(15)可以连同定位环(14)、套筒(12)以及刀架轴承(16)的内圈被动转动。 3.根据权利要求1所述的一种模拟地应力和地热的刀圈磨损试验装置，其特征在于：岩石试样(26)圆周面上包有一层隔油薄膜(31)，隔油薄膜(31)和料仓(34)之间存在油腔(30)，料仓(34)上方通过料仓螺栓(21)连有料仓盖(22)，料仓盖(22)内布有密封件b(28)和密封件c(29)；料仓螺栓(21)对称分布在料仓盖(22)上；油腔(30)连有油管a(32)，油管a(32)可向油腔(30)内提供一定压力的液压油。 4.根据权利要求1所述的一种模拟地应力和地热的刀圈磨损试验装置，其特征在于：加热板(23)内部设有大量加热管(24)；绝热层(33)与油腔(30)之间布有一环密封件a(27)；加热管(24)上的供电导线汇总于供电导线a(25)联接，并由加热电源(38)供电。 5.根据权利要求1所述的一种模拟地应力和地热的刀圈磨损试验装置，其特征在于：伸缩油缸(1)控制刀圈(15)在竖直方向上的上下移动，且伸缩油缸(1)具有锁死位移和保持恒定压力的功能，可以实现刀圈(15)恒定压力和恒定切割深度两种工况下的切割磨损试验；料仓(34)和岩石试样(26)的圆周转动由变频电机(39)实现，变频电机(39)可以无级调速，可实现岩石试样(26)不同转速的圆周转动。 6.根据权利要求1所述的一种模拟地应力和地热的刀圈磨损试验装置，其特征在于：岩石红外测温仪(3)用于实时监测岩石试样(26)的温度，并将温度信号实时反馈给加热电源(38)。加热电源(38)具有智能调节供电功率的功能，其可以根据岩石红外测温仪(3)反馈的岩石试样(26)的温度值，调节供电功率；刀圈红外测温仪(19)用于实时监测刀圈(15)表面的温度场特点；三向力传感器(8)用于实时监测刀圈(15)切割磨损过程中的三向载荷。 7.一种模拟地应力和地热的刀圈磨损试验装置的测试方法，其特征在于，该方法包括如下步骤： 1)刀圈安装首先将未磨损的刀圈(15)称重，获得刀圈(15)的初始质量；将刀圈键(18)安装在刀轴(17)上，然后将刀圈(15)沿着刀圈键(18)位置，安装于刀轴(17)上；随后依次从刀轴(17)的自由端出发，在刀轴(17)上安装好定位环(14)、套筒键(10)、套筒(12)；安装过程中定位环(14)、套筒(12)要紧贴刀圈(15)，使刀圈(15)紧贴刀轴(17)的阶梯位置，以达到定位要求；然后将已经安装好其中一个刀架轴承(16)的侧向刀架(13)套到刀轴(17)上，然后通过刀架螺栓(9)将刀架(20)和侧向刀间(13)联接紧固好，最后拧紧锁紧螺母(11)，完成刀圈(15)安装； 2)岩石试样安装将岩石试样(26)放置于料仓(34)内部的加热板(23)上，岩石试样(26)圆柱表面由隔油薄膜(31)包裹，随后通过料仓螺栓(21)将已经安装好密封圈b(28)和密封圈c(29)的料仓盖(22)紧固于料仓(34)上，使料仓盖(22)与岩石试样(26)和料仓(34)的上表面紧紧贴合，完成岩石试样(26)的定位和紧固； 3)施加地应力和地热 a、当只模拟不同地应力条件下的滚刀刀圈磨损试验时，无需开启加热电源(38)，只启动地应力液压泵(37)，向油管b(36)内供油，当液压油进入到油腔(30)内后，通过设定地应力液压泵(37)的油压，实现油腔(30)内部恒定压力； b、当只模拟不同地热条件下的滚刀刀圈磨损试验时，无需启动地应力液压泵(37)，只启动加热电源(38)，进而通过加热板(23)对岩石试样(26)加热；同时启动岩石红外测温仪(3)，通过岩石红外测温仪(3)实时监测岩石试样(26)的温度，加热电源(38)根据岩石红外测温仪(3)实时反馈的温度信号智能调节供电功率，模拟岩石试样(26)不同地热环境； c、当需模拟地应力和地热耦合条件下的滚刀刀圈磨损试验时，依次按照上述a、b两个分步骤，分别将地应力和地热施加在岩石试样(26)上，模拟岩石试样(26)的地应力和地热耦合环境； 4)刀圈切割磨损模式控制控制伸缩油缸(1)，驱动横梁(6)、刀架(20)以及刀圈(15)沿岩石试样(26)方向移动，直到刀圈(15)达到试验所需的切割正压力或切割深度，并最终通过伸缩油缸(1)的保压和位移锁死功能，保证恒定的切割压力或者恒定的切割深度； 5)数据监控启动三向力传感器(8)和刀圈红外测温仪(19)，准备实时监测刀圈(15)的切割磨损载荷和温度场特点； 6)刀圈切割磨损实现按照试验所需的料仓(34)转速，启动变频电机(39)，使得岩石试样(26)匀速转动，进而实现刀圈(15)与岩石试样(26)发生被动滚动摩擦，最后完成刀圈(15)磨损试验； 7)拆卸滚刀刀圈达到刀圈(15)的磨损时间后，变频电机(39)自动停止；开始拆卸刀圈(15)，首先将锁紧螺母(11)沿刀轴(17)自由端拧出来，随后将刀架螺栓(9)拧出，然后依次取出侧向刀架(13)、套筒(12)、套筒键(10)、定位环(14)和刀圈(15)；刀轴(17)和刀圈键(18)及其他部件不拆卸，便于安装新的刀圈(15)，完成刀圈(15)拆卸； 8)试验数据处理将拆卸下来的刀圈(15)进行再次称重，获得其磨损后的质量；结合其磨损前的初始质量，两者之差可得刀圈的磨损量；收集三向力传感器(8)和刀圈红外测温仪(19)的监测数据，获得刀圈(15)切割磨损过程中的磨损三向载荷和温度场特征，进而获取磨损动态过程刀圈(15)的磨损系数与磨损温度与时间的映射关系；随后，将磨损后的刀圈(15)放置于扫描电镜下方观测刀圈磨损形貌特征，分析其磨损形貌和磨损机理等。
所属类别：	发明专利