Tbm滚刀刀圈耐磨性测试方法
【专利摘要】本发明公开一种TBM滚刀刀圈耐磨性测试方法，该方法包括：采用与TBM滚刀刀圈相同的材料加工得到滚刀刀圈试样；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；根据第一质量和第二质量，确定热处理后的滚刀刀圈试样的耐磨性系数，并将该耐磨性系数作为TBM滚刀刀圈的耐磨性系数。本发明中，利用与TBM滚刀刀圈性能相同的滚刀刀圈试样与岩石试样对摩前后的质量确定滚刀刀圈试样的耐磨性系数，将该耐磨性系数作为TBM滚刀刀圈的耐磨性系数，从而实现TBM滚刀刀圈的耐磨性测试。
【专利说明】
TBM滚刀刀圈耐磨性测试方法
技术领域
[0001] 本发明涉及隧道工程技术领域，具体涉及一种TBM滚刀刀圈耐磨性测试方法。
【背景技术】
[0002] 随着城市的发展，城市人口急剧膨胀所带来的生存空间拥挤、交通阻塞、能源紧缺 等问题日益凸显，地下空间的开发和城市地铁的快速修建已经迫在眉睫。隧道掘进机用于 隧道施工具有掘进效率高、成洞质量好、环境污染小等其它工法无法比拟的优势，因此在世 界范围内得到广泛应用。
[0003] 全断面隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，TBM)是隧道掘进机的一种，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，依靠安装在刀盘上的滚刀对掌子面 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， 由于TBM滚刀破碎的往往是抗压强度较高、磨蚀性较强的岩石，滚刀刀圈普遍存在耐磨性较 差的问题。TBM滚刀刀圈的耐磨性不仅取决于滚刀刀圈自身的性能，还与和它相互作用的岩 石有关，同一性能的滚刀刀圈与不同种类的岩石相互作用时将表现出不同的耐磨性，不同 性能的滚刀刀圈与同一岩石相互作用时也将表现出不同的耐磨性。滚刀刀圈耐磨性的优劣 将直接影响滚刀的破岩效率和滚刀寿命。
[0004] 然而，目前却没有一种有效的滚刀刀圈耐磨性测试方法，使得隧道施工单位在根 据掘进地层岩石种类选择滚刀刀圈时存在一定的盲目性，导致采用的滚刀刀圈的耐磨性往 往较差。
【发明内容】
[0005] 针对以上缺陷，本发明提供一种TBM滚刀刀圈耐磨性测试方法，可以实现对TBM滚 刀刀圈的耐磨性测试。
[0006] 本发明提供的TBM滚刀刀圈耐磨性测试方法包括：
[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；
[0008] 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；
[0009] 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；
[0010] 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， 所述岩石试样与所述岩石的材质相同；
[0011] 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；
[0012] 根据所述第一质量和所述第二质量，确定热处理后的滚刀刀圈试样的耐磨性系 数，并将所述耐磨性系数作为所述TBM滚刀刀圈的耐磨性系数。
[0013] 可选的，采用下式确定热处理后的滚刀刀圈试样的耐磨性系数：
[0015] 其中，k为所述耐磨性系数，πη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。
[0016] 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。
[0017] 可选的，将热处理后的滚刀刀圈试样与岩石试样进行对摩，包括：
[0018] 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；
[0019] 将所述岩石试样放置在所述驱动轴下方的岩石料仓内；
[0020] 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；
[0021] 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，使所述滚刀刀圈试样与所述岩石 试样按TBM滚刀实际工况对摩。
[0022]可选的，该方法还包括：
[0023]在所述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。
[0024]可选的，所述确定热处理后的滚刀刀圈试样的质量，包括：
[0025] 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。
[0026] 可选的，所述确定对摩后的滚刀刀圈试样的质量，包括：
[0027] 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。
[0028]可选的，所述热处理操作，包括：
[0029] 对所述滚刀刀圈试样进行两次预热；
[0030] 对预热后的滚刀刀圈试样进行真空淬火；
[0031 ] 对真空淬火后的滚刀刀圈试样进行两次真空回火。
[0032] 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相对位置沿厚度方向开设有两个通槽，所述通槽的宽度 为16mm，深度为4mm。
[0033] 本发明提供的TBM滚刀刀圈耐磨性测试方法中，滚刀刀圈试样采用与TBM滚刀刀圈 相同的材料及热处理操作，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耐磨性测试，得到的耐磨性系数比较准确。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实际 工况条件下TBM滚刀刀圈与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，且岩石试样与实际工况条件下的岩石的材质相同，可以保证滚刀刀圈试样与岩 石试样之间的对摩过程接近实际工况条件下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。还有，利用滚刀刀圈试样与岩石试样对摩前后 的质量确定滚刀刀圈试样的耐磨性系数，将该耐磨性系数作为TBM滚刀刀圈的耐磨性系数， 从而实现TBM滚刀刀圈的耐磨性测试。
【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示出了根据本发明TBM滚刀刀圈耐磨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TBM滚刀刀圈耐磨性测试方法，如图1所示，该方法包括：
[0039] S101、采用与TBM滚刀刀圈相同的材料加工得到滚刀刀圈试样；
[0040] S102、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、确定热处理后的的滚刀刀圈试样的质量，将该质量作为第一质量；
[0042] S104、将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实际工况条件下TBM滚刀刀 圈与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，该岩石试样 与实际工况条件下的岩石的材质相同；
[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实际工况条件下TBM滚刀刀圈与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 接触应力与实际工况条件下TBM滚刀刀圈与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实际工况条件下TBM滚刀刀圈与岩石之间的相对 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实际工况 条件下TBM滚刀刀圈与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，确定热处理后的滚刀刀圈试样的耐磨性系数，并 将耐磨性系数作为TBM滚刀刀圈的耐磨性系数。
[0046] 本发明提供的TBM滚刀刀圈耐磨性测试方法中，滚刀刀圈试样采用与TBM滚刀刀圈 相同的材料及热处理操作，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耐磨性测试，得到的耐磨性系数比较准确。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实际 工况条件下TBM滚刀刀圈与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，且岩石试样与实际工况条件下的岩石的材质相同，可以保证滚刀刀圈试样与岩 石试样之间的对摩过程接近实际工况条件下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。还有，利用滚刀刀圈试样与岩石试样对摩前后 的质量确定滚刀刀圈试样的耐磨性系数，将该耐磨性系数作为TBM滚刀刀圈的耐磨性系数， 从而实现TBM滚刀刀圈的耐磨性测试。
[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，岩石试样可以采用TBM工程典型岩石试样。
[0048]在具体实施时，本发明S106中可以采用下式确定滚刀刀圈试样的耐磨性系数：
[0050]其中，k为耐磨性系数，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] 利用上述公式计算耐磨性系数，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中将滚刀刀圈试样与岩石试样进行对摩，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，使滚刀刀圈试样与岩石试样对摩。
[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，以模拟实际工况条件下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，以模拟实际工况条件下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TBM滚刀刀圈耐磨性测试方法还可以包括：
[0060] 在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，便于后续分析滚刀刀圈与不同类型的岩石对摩时耐磨性不同的原因等。
[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的过程可以包括：
[0063] 对热处理后的滚刀刀圈试样进行清洗、干燥和称重，得到对摩前的滚刀刀圈试样 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的过程可以包括：
[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中的热处理操作过程可以包括：
[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保温时间确定滚刀刀圈试 样两次预热的温度和保温时间，例如实际中TBM滚刀刀圈的两次预热的温度和保温时间分 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 保温时间分别为: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保温 时间确定滚刀刀圈试样的真空淬火温度和保温时间，例如，实际中TBM滚刀刀圈的真空淬火 温度和保温时间为1050-1120 °C和3-4h，对滚刀刀圈试样的真空淬火温度和保温时间分别 为1120 °C和4h。根据实际中TBM滚刀刀圈的真空回火温度和保温时间确定滚刀刀圈试样的 真空回火温度和保温时间，例如，实际中TBM滚刀刀圈的真空回火温度和保温时间为520-600 °C和2-3h，对滚刀刀圈试样两次真空回火的温度和保温时间分别为540 °C和2h、520 °C和 2h〇
[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真实工况。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相对位置 沿厚度方向开设有两个通槽，通槽的宽度为16mm，深度为4mm。
[0074] 在实际应用中，可以利用本发明提供的TBM滚刀刀圈耐磨性测试方法对不同性能 的TBM滚刀刀圈进行耐磨性测试，在测试过程中将不同性能的滚刀刀圈试样与同一岩石试 样进行对摩，可以得到不同性能的TBM滚刀刀圈的耐磨性系数。同样的，还可以利用本发明 TBM滚刀刀圈耐磨性测试方法对某一种性能的TBM滚刀刀圈与不同类型的岩石对摩时的耐 磨性系数进行测试，在测试过程中，将该种性能的滚刀刀圈试样与不同类型的岩石试样进 行对摩，根据该种性能的滚刀刀圈试样与不同类型的岩石试样对摩时的耐磨性系数，得到 该性能的TBM滚刀刀圈比较适合破碎的岩石类型。在实际需要时，可以根据不同类型对摩岩 石下不同性能的TBM滚刀刀圈的耐磨性系数及实际工况下的岩石种类选择合适的TBM滚刀 刀圈，从而延长TBM滚刀刀圈的使用寿命，为隧道施工单位根据岩石地质条件选择TBM滚刀 刀圈性能提供依据。
[0075]本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述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。
[0076]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TBM滚刀刀圈耐磨性测试方法，其特征在于，包括： 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； 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，所 述岩石试样与所述岩石的材质相同； 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，确定热处理后的滚刀刀圈试样的耐磨性系数，并 将所述耐磨性系数作为所述TBM滚刀刀圈的耐磨性系数。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用下式确定热处理后的滚刀刀圈试样的 耐磨性系数：其中，k为所述耐磨性系数，Hi1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，使所述滚刀刀圈试样与所述岩石试样 按TBM滚刀实际工况对摩。5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括： 在所述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。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淬火； 对真空淬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相对位置沿厚度方向开 设有两个通槽，所述通槽的宽度为16mm，深度为4mm。
【文档编号】G01N3/56GK106018142SQ201610298755
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】夏毅敏, 毛晴松, 周明, 杨端, 郭犇, 林赉贶, 张旭辉
【申请人】中南大学