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原文传递一种水射流和腐蚀液体下刀圈磨损试验装置及测试方法

专利名称：	一种水射流和腐蚀液体下刀圈磨损试验装置及测试方法
摘要：	本发明公开了一种水射流和腐蚀液体下刀圈磨损试验装置及测试方法。所述试验装置中，伸缩油缸联接在立体机架上，伸缩油缸下方依次连有横梁、联接板、三向力传感器与刀架，刀架内连有轴承、刀轴、缩尺寸刀圈，刀架下方连有竖向喷头导轨，竖向喷头导轨上依次连有横向喷头导轨、喷头支架和喷头，横梁关于伸缩油缸对称布有两套刀架、缩尺寸刀圈、喷头等部件，极硬岩试样放置于料仓盒内，料仓盒底部通过螺栓与液压马达联接，红外测温仪固定联接于支撑底座外圈上。所述测试方法可配合所述试验装置完成刀圈在水射流辅助和腐蚀性液体条件下的切割磨损试验全过程，可为水射流和腐蚀液体条件下的滚刀刀圈磨损寿命预测及其耐磨性设计提供依据。
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;潘家骥;夏毅敏;何谦;李密
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：	CN201910466762.3
公开号：	CN110057705A
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：	1.一种水射流和腐蚀液体下刀圈磨损试验装置，其特征在于：由伸缩油缸(1)，立体机架(2)，三向力传感器(3)，缩尺寸刀圈(4)，红外测温仪(5)，支撑底座外圈(6)，极硬岩试样(7)，耐磨滚子(8)，支撑底座底盘(9)，液体导管(10)，液压马达(11)，料仓盒(12)，机架支撑筋(13)，横梁(14)，横梁支撑筋(15)，轴承右端盖(16)，刀轴(17)，紧固螺母(18)，横向喷头导轨(19)，喷头支架(20)，喷头(21)，水射流导管(22)，竖向喷头导轨(23)，轴承左端盖(24)，轴承(25)，刀架(26)，刀架支撑筋(27)，联接板(28)组成；伸缩油缸(1)固定于立体机架(2)的中间位置，立体支架(2)直角转弯处采用机架支撑筋(13)加固，立体支架(2)下端紧固于地面上；伸缩油缸(1)通过其活塞杆与横梁(14)联接，在横梁(14)上关于伸缩油缸(1)对称布置有两个横梁支撑筋(15)，横梁(14)通过螺栓与联接板(28)联接，联接板(28)通过三向力传感器(3)与刀架(26)联接；刀架(26)两侧布有刀架支撑筋(27)，刀架(26)内安装一对轴承(25)，轴承(25)内圈连有刀轴(17)，刀轴上装有缩尺寸刀圈(4)，缩尺寸刀圈(4)与极硬岩试样(7)接触；横梁上关于伸缩油缸对称布有两套缩尺寸刀圈(4)、刀架(26)、三向力传感器(3)等部件；刀架(26)正下方连有竖向喷头导轨(23)，在竖向喷头导轨(23)上连有横向喷头导轨(19)，横向喷头导轨(19)连有喷头支架(20)，喷头(21)联接在喷头支架(20)上；极硬岩试样(7)放置于料仓盒(12)内，并由四个对称分布的螺栓紧固；料仓盒(12)的高度高于极硬岩试样(7)，料仓盒(12)内表面涂有防腐蚀层；料仓盒(12)底部通过螺栓与液压马达(11)联接，液压马达(11)固定于地面；红外测温仪(5)固定联接于支撑底座外圈(6)上，并正对缩尺寸刀圈(4)的中心位置；支撑底座外圈(6)与支撑底座底盘(9)的联接处开有一个排液孔，排液孔连有液体导管(10)。 2.根据权利要求1所述的一种水射流和腐蚀液体下刀圈磨损试验装置，其特征在于：横梁(14)内部开有燕尾槽结构，刀架(26)可随同联接板(28)沿燕尾槽滑动，以达到不同安装半径，并可由螺栓锁死定位。 3.根据权利要求1所述的一种水射流和腐蚀液体下刀圈磨损试验装置，其特征在于：刀架(26)左右两侧连有轴承左端盖(24)和轴承右端盖(16)，用于定位轴承(25)的外圈，轴承右端盖(16)与刀轴(17)之间布有密封环；轴承(25)内圈与刀轴(17)过盈联接，刀轴(17)通过键和缩尺寸刀圈(4)联接，通过紧固螺母(18)拧在刀轴(17)上，用于紧固缩尺寸刀圈(4)，缩尺寸刀圈(4)可连同刀轴(17)和轴承(25)内圈转动；轴承(25)的外圈与刀架(26)内部过盈联接。 4.根据权利要求1所述的一种水射流和腐蚀液体下刀圈磨损试验装置，其特征在于：横向喷头导轨(19)可在竖向喷头导轨(23)上上下移动，并可被螺栓紧固定位；横向喷头导轨(19)开有燕尾槽结构，喷头支架(20)可在横向喷头导轨(19)上左右移动，并可被螺栓紧固定位；喷头(21)可在喷头支架(20)上摆动任一角度，并可由螺栓紧固定位，喷头支架(20)上可以安装不同结构形式的喷头(21)。 5.根据权利要求1所述的一种水射流和腐蚀液体下刀圈磨损试验装置，其特征在于：料仓盒(12)边缘底部与若干个耐磨滚子(8)接触，耐磨滚子(8)均匀布置于支撑底座底盘(9)的半球面凹槽内，支撑底座底盘(9)通过耐磨滚子(8)支撑住料仓盒(12)的边缘。 6.根据权利要求1所述的一种水射流和腐蚀液体下刀圈磨损试验装置，其特征在于：红外测温仪(5)用于实时监测缩尺寸刀圈(4)的表面整体温度特征；伸缩油缸(1)具有锁死位移和保持恒定压力的功能；液压马达(11)的转速可以无级调节；三向力传感器(3)可以实时监测缩尺寸刀圈(4)的切割磨损三向载荷数据。 7.一种水射流和腐蚀液体下刀圈磨损试验装置测试方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一：缩尺寸刀圈摩擦磨损参数设置 1)安装半径和转速确定对于缩尺寸刀圈(4)或者真实刀圈，其对应的被动转速和绕横梁(14)中心或者刀盘中心的转速的关系如下两式所示； n1r1＝n2r2 (1) N1R1＝N2R2 (2) 式中，n1为缩尺寸刀圈(4)被动转速，r1为缩尺寸刀圈(4)半径，n2为横梁(14)转速，r2为缩尺寸刀圈(4)在横梁(14)上的安装半径；N1为工程中真实滚刀刀圈被动转速，R1为工程中真实滚刀刀圈半径，N2为工程中真实刀盘转速，R2为工程中真实滚刀在刀盘上的安装半径；为了较好模拟工程中真实滚刀刀圈摩擦情况，需满足下式： n1＝N2 (3) 则得到下式： 2)刀圈正压力和切割深度确定缩尺寸刀圈(4)的恒定正压力根据真实TBM推进过程中的推力来确定，根据赫兹接触应力准则，只需要保证缩尺寸刀圈(4)的接触应力与工程中真实滚刀刀圈接触应力相等即可；缩尺寸刀圈(4)恒定切割深度确定方法也采用赫兹接触应力准则，根据基本接触应力公式计算方法，如下式所示：式中，P0为刀圈基本接触应力，为刀圈与岩石的接触角，C为无量纲系数，对于常截面刀圈约为2.12，r滚刀刀圈半径；T为刀刃度；h为刀圈切割深度；S为刀间距，σc为岩石单轴抗压强度，σt为岩石抗拉强度；需保证缩尺寸刀圈(4)的基本接触应力与工程中真实滚刀刀圈基本接触应力相等即可，则需满足下式：式中，sa为缩尺寸刀圈(4)刀间距，为缩尺寸刀圈(4)与岩石的接触角，ra为缩尺寸刀圈(4)半径，Ta为缩尺寸刀圈(4)刀刃宽；sb为工程中真实滚刀刀圈刀间距，为工程中真实滚刀刀圈与岩石的接触角，rb为工程中真实滚刀刀圈半径，Tb为工程中真实滚刀刀圈刀刃宽； 3)磨损时间确定试验用缩尺寸刀圈(4)的磨损距离应与工程中真实滚刀刀圈磨损距离相等，则需满足下式： 2πr2n2t2＝2πR2N2T2 (7) 单次缩尺寸刀圈(4)的磨损试验时间为：式中，t2为缩尺寸刀圈(4)磨损所需时间，T2为工程中真实滚刀刀圈磨损时间；步骤二：缩尺寸刀圈安装和拆卸缩尺寸刀圈(4)的安装过程：首先将键安装在刀轴(17)上，随后将缩尺寸刀圈(4)沿轴向套到键上，并顶住刀轴(17)的阶梯位置，定好位置后，将紧固螺母(18)拧紧在刀轴(17)上，实现缩尺寸刀圈(4)的紧固；缩尺寸刀圈(4)的拆卸过程：首先拧松紧固螺母(18)，并将其取下，随后轻轻用锤子将缩尺寸刀圈(4)沿刀轴(17)自由端敲击，并取出缩尺寸刀圈(4)；步骤三：试验过程操作方法 1)将极硬岩试样(7)置于料仓盒(12)内，并通过螺栓紧固锁死；当需研究腐蚀性液体对滚刀刀圈磨损特性影响时，需往料仓盒(12)内的岩石表面注入一定深度的腐蚀性液体；当只研究水射流对滚刀刀圈的磨损特性影响时，无需往料仓盒(12)内的岩石表面注入腐蚀性液体； 2)对磨损前的缩尺寸刀圈(4)进行称重，并根据步骤一中设定的安装半径和步骤二中的缩尺寸刀圈(4)的安装方法，将缩尺寸刀圈(4)安装在横梁(14)对应的位置，并锁紧固定好； 3)控制伸缩油缸(1)，驱动横梁(14)向极硬岩试样(7)方向移动，直到缩尺寸刀圈(4)达到试验所需的切割深度或正压力，所需的切割深度或正压力根据步骤一确定，并最终通过伸缩油缸(1)的锁死功能，保证恒定切割深度或者恒定压力； 4)当需研究水射流对滚刀刀圈的磨损特性研究时，通过调节横向喷头导轨(19)、喷头支架(20)、竖向喷头导轨(23)，确定喷头(21)与缩尺寸刀圈(4)的相对位置，并调节好所需水射流的压力、流速等具体参数； 5)联接三向力传感器(3)和外部动态应变仪，并启动三向力传感器(3)、动态应变仪和红外测温仪(5)，准备实时测试缩尺寸刀圈(4)的磨损载荷和温度场特点； 6)根据步骤一种设定的液压马达(11)转速和磨损时间，启动液压马达(11)，使液压马达(11)保持恒定转速转动；当需研究水射流对滚刀刀圈的磨损特性影响时，启动液压马达(11)的同时，需根据设定的水射流参数同时启动水射流泵站；当只研究腐蚀性液体对滚刀刀圈的磨损特性影响时，无需启动水射流泵站；最终实现水射流辅助和腐蚀性液体条件下或者两者耦合条件下的缩尺寸刀圈(4)的摩擦磨损试验； 7)通过三向力传感器(3)记录缩尺寸刀圈(4)切割磨损过程中的三向载荷，并进一步计算出磨损过程中缩尺寸刀圈(4)的摩擦系数；通过红外测温仪(5)记录缩尺寸刀圈(4)磨损过程中的温度场特点，可进一步分析缩尺寸刀圈(4)的摩擦热效应； 8)当达到步骤一所指定的磨损时间时，液压马达(11)自动停止转动，刀圈磨损试验完成；按照步骤二的缩尺寸刀圈(4)的拆卸方法，将缩尺寸刀圈(4)拆卸下来，对其称重，结合步骤2)中的初始称重，计算出缩尺寸刀圈(4)的磨损量，随后将其放置于扫描电镜下方观测缩尺寸刀圈(4)的磨损形貌特征，分析其磨损形貌、磨损机理等。
所属类别：	发明专利