一种泥水盾构排浆管路冲蚀磨损实验装置及方法与流程

本发明涉及隧道工程，具体来说，涉及一种泥水盾构排浆管路冲蚀磨损实验装置及方法。

背景技术：

1、随着经济的持续发展、综合国力的不断提升及高新技术的不断应用，我国隧道及地下工程得到了前所未有的迅速发展，各种复杂环境下的工程中对盾构技术也提出了更高的要求。泥水环流系统是泥水平衡盾构的重要组成部分，其采用管道输送的方式，将携带开挖渣石的泥浆由排浆管路排出。

2、泥浆中携带大量砂砾石造成管道磨损严重，在弯管段甚至会造成管路破损磨穿、浆液喷漏及其他潜在风险，迫使盾构机停机检修，增加工程时间和经济成本。固液两相流的管道磨损问题十分复杂，传统磨损模型多针对微米级颗粒冲蚀的工况，而砂砾石已经远大于此类细颗粒，使用现有磨损模型对其磨损进行研究存在局限性，导致磨损预测精度低，因此有必要针对泥水盾构排浆管路砂砾石冲蚀磨损的问题进行系统的探究，提出适用的高精度磨损方程。

3、针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

1、针对相关技术中的问题，本发明提出一种泥水盾构排浆管路冲蚀磨损实验装置及方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

2、为此，本发明采用的具体技术方案如下：

3、根据本发明的一个方面，提供了一种泥水盾构排浆管路冲蚀磨损实验装置，该磨损实验装置包括高压喷砂机，高压喷砂机的一侧设置有空气压缩机，且高压喷砂机与空气压缩机通过气管相连接；高压喷砂机的内部设置有靶材夹具，靶材夹具的内部设置有靶材本体，高压喷砂机的底部设置有颗粒测速组件。

4、优选地，高压喷砂机包括设置在空气压缩机一侧的高压喷砂机本体，高压喷砂机本体的内底部设置有料仓，高压喷砂机本体的内部中间位置设置有喷砂仓，高压喷砂机本体的外顶部依次设置有压力表、计时器及旋钮，高压喷砂机本体的外底部两侧对称设置有工作仓手套。

5、优选地，靶材夹具包括设置在高压喷砂机内部的支架底座，支架底座的顶部设置有夹具本体，且支架底座与夹具本体之间通过角度紧固螺丝相连接，夹具本体内部设置有靶材本体，且夹具本体与靶材本体通过夹具螺丝相连接。

6、优选地，颗粒测速组件包括设置在高压喷砂机底部一侧的数显调速器，数显调速器的一侧设置有交流调速电机马达，交流调速电机马达的顶部设置有联轴器，联轴器的顶端设置有轴杆，轴杆的圆周外侧套设有缺口圆盘，轴杆的圆周外侧且位于缺口圆盘的底端套设有完整圆盘。

7、根据本发明的另一个方面，还提供了一种泥水盾构排浆管路冲蚀磨损实验方法，其特征在于，该泥水盾构排浆管路冲蚀磨损实验方法包括以下步骤：

8、s1、基于实际泥水盾构环流系统管路布置与浆液流速设计磨损实验方案，并按照磨损实验方案执行磨损实验；

9、s2、利用颗粒测速组件测量并记录不同砂砾粒径下砂砾从缺口圆盘到达完整圆盘间的喷砂冲击速度；

10、s3、利用高压喷砂机对不同冲击角度下的靶材本体表面进行冲蚀磨损，并生成靶材本体磨损量；

11、s4、分析喷砂冲击速度、冲击角度与砂砾粒径对靶材本体磨损量的影响并绘制变化曲线，基于变化曲线选建立靶材本体磨损模型方程。

12、优选地，利用颗粒测速组件测量并记录不同砂砾粒径下砂砾从缺口圆盘到达完整圆盘间的喷砂冲击速度包括以下步骤：

13、s21、将砂砾放入料仓后开启高压喷砂机，并将高压喷砂机调整至预设工作压力；

14、s22、将白纸和复写纸依次放置在完整圆盘表面，启动交流调速电机马达并驱动完整圆盘及缺口圆盘进行旋转，并通过数显调速器将圆盘转速调为预设值后保持恒定；

15、s23、利用高压喷砂机喷射在缺口圆盘的砂砾通过狭缝击打在完整圆盘表面的复写纸上，并在白纸上生成击打痕迹特征；

16、s24、基于击打痕迹特征计算砂砾痕迹始末位置形成的偏转角度，并结合偏转角度计算喷砂冲击速度；

17、s25、调整高压喷砂机工作压力及砂砾粒径重复步骤s21-步骤s24，记录在不同工作压力下对应的喷砂冲击速度。

18、优选地，喷砂冲击速度的计算公式为：

19、

20、式中，v表示喷砂冲击速度；l表示缺口圆盘与完整圆盘间的间距；ωd表示圆盘转速；γab表示完整圆盘上砂砾痕迹始末位置形成的偏转角度。

21、优选地，利用高压喷砂机对不同冲击角度下的靶材本体表面进行冲蚀磨损，并生成靶材本体磨损量包括：

22、s31、选取预设尺寸的靶材本体，将靶材本体的表面杂质清理后对靶材本体进行称重并记录；

23、s32、将砂砾放入料仓后开启高压喷砂机，并将高压喷砂机调整至预设工作压力；

24、s33、将安装完成的靶材本体放入喷砂仓内，砂砾按照预设速度从入射角度冲击磨损靶材本体，在磨损预设时间段后关闭高压喷砂机并取出靶材本体；

25、s34、测量并记录冲击磨损时间前后靶材本体的质量损失与磨料仓内当前时间段消耗磨料质量，得到靶材本体磨损量；

26、s35、更换不同材料的靶材本体并调整靶材本体角度后重复步骤s1-步骤s3，记录不同材料条件下的靶材本体磨损量。

27、优选地，分析喷砂冲击速度、冲击角度与砂砾粒径对靶材本体磨损量的影响并绘制变化曲线，基于变化曲线选建立靶材本体磨损模型方程包括：

28、s41、计算不同材料条件下的靶材本体平均磨损量，并分别绘制喷砂冲击速度、冲击角度与砂砾粒径对靶材本体磨损量的变化曲线图；

29、s42、建立磨损模型形式，并根据变化曲线图及磨损模型形式对每种变化曲线进行拟合后生成靶材本体磨损模型方程。

30、优选地，磨损模型的表达式为：

31、rerosion＝c·f(dp)f(θ)vb(v)；

32、式中，rerosion表示靶材本体磨损速率；f(dp)表示砂砾粒径函数；f(θ)表示冲击角度函数；b(v)表示喷砂冲击速度指数；c表示系数。

33、本发明的有益效果为：

34、1、本发明克服了现有磨损模型对磨蚀砂层中泥水盾构排浆管路磨损预测适用性差的问题，提高了磨损模型适用性和计算精度，在实验室中使用磨蚀性砂砾冲蚀磨损靶材的试验设备，建立具有工程适用性的磨损计算方程，提高泥水盾构排浆管道的磨损预测精度，并及时采取补焊或换管措施，进而减少管路破损、浆液喷漏等风险导致的盾构机停机检修，节约时间成本。

35、2、本发明通过建立磨蚀性砂砾的磨损方程，揭示了砂砾石的磨损规律，与实际工程更为吻合，针对泥水盾构环流系统，根据浆液流速变化范围设置试验中渣石冲击速度，进而提升试验数据精度。

技术特征：

1.一种泥水盾构排浆管路冲蚀磨损实验装置，其特征在于，该磨损实验装置包括高压喷砂机(1)，所述高压喷砂机(1)的一侧设置有空气压缩机(2)，且所述高压喷砂机(1)与所述空气压缩机(2)通过气管(3)相连接；

2.根据权利要求1所述的一种泥水盾构排浆管路冲蚀磨损实验装置，其特征在于，所述高压喷砂机(1)包括设置在所述空气压缩机(2)一侧的高压喷砂机本体(101)，所述高压喷砂机本体(101)的内底部设置有料仓(102)，所述高压喷砂机本体(101)的内部中间位置设置有喷砂仓(107)，所述高压喷砂机本体(101)的外顶部依次设置有压力表(103)、计时器(104)及旋钮(105)，所述高压喷砂机本体(101)的外底部两侧对称设置有工作仓手套(106)。

3.根据权利要求2所述的一种泥水盾构排浆管路冲蚀磨损实验装置，其特征在于，所述靶材夹具(4)包括设置在所述高压喷砂机(1)内部的支架底座(401)，所述支架底座(401)的顶部设置有夹具本体(402)，且所述支架底座(401)与所述夹具本体(402)之间通过角度紧固螺丝(403)相连接，所述夹具本体(402)内部设置有所述靶材本体(5)，且所述夹具本体(402)与所述靶材本体(5)通过夹具螺丝(404)相连接。

4.根据权利要求3所述的一种泥水盾构排浆管路冲蚀磨损实验装置，其特征在于，所述颗粒测速组件(6)包括设置在所述高压喷砂机(1)底部一侧的数显调速器(601)，所述数显调速器(601)的一侧设置有交流调速电机马达(602)，所述交流调速电机马达(602)的顶部设置有联轴器(603)，所述联轴器(603)的顶端设置有轴杆(606)，所述轴杆(606)的圆周外侧套设有缺口圆盘(604)，所述轴杆(606)的圆周外侧且位于所述缺口圆盘(604)的底端套设有完整圆盘(605)。

5.一种泥水盾构排浆管路冲蚀磨损实验方法，用于实现权利要求1-4中任一项所述的泥水盾构排浆管路冲蚀磨损实验装置的磨损实验，其特征在于，该泥水盾构排浆管路冲蚀磨损实验方法包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种泥水盾构排浆管路冲蚀磨损实验方法，其特征在于，所述利用颗粒测速组件(6)测量并记录不同砂砾粒径下砂砾从缺口圆盘(604)到达完整圆盘(605)间的喷砂冲击速度包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种泥水盾构排浆管路冲蚀磨损实验方法，其特征在于，所述喷砂冲击速度的计算公式为：

8.根据权利要求7所述的一种泥水盾构排浆管路冲蚀磨损实验方法，其特征在于，所述利用高压喷砂机(1)对不同冲击角度下的靶材本体(5)表面进行冲蚀磨损，并生成靶材本体磨损量包括：

9.根据权利要求8所述的一种泥水盾构排浆管路冲蚀磨损实验方法，其特征在于，所述分析喷砂冲击速度、冲击角度与砂砾粒径对靶材本体磨损量的影响并绘制变化曲线，基于变化曲线选建立靶材本体磨损模型方程包括：

10.根据权利要求9所述的一种泥水盾构排浆管路冲蚀磨损实验方法，其特征在于，所述磨损模型的表达式为：

技术总结
本发明公开了一种泥水盾构排浆管路冲蚀磨损实验装置及方法，涉及隧道工程技术领域，该磨损实验装置包括高压喷砂机，高压喷砂机的一侧设置有空气压缩机，且高压喷砂机与空气压缩机通过气管相连接；高压喷砂机的内部设置有靶材夹具，靶材夹具的内部设置有靶材本体，高压喷砂机的底部设置有颗粒测速组件。本发明克服了现有磨损模型对磨蚀砂层中泥水盾构排浆管路磨损预测适用性差的问题，提高了磨损模型适用性和计算精度，在实验室中使用磨蚀性砂砾冲蚀磨损靶材的试验设备，建立具有工程适用性的磨损计算方程，提高泥水盾构排浆管道的磨损预测精度，并及时采取补焊或换管措施，进而减少管路破损、浆液喷漏等风险导致的盾构机停机检修。

技术研发人员：王希浩,孙梦阳,吕韬,刘泓志,李兴高,孙霄汉,郭易东
受保护的技术使用者：青岛国信胶州湾第二海底隧道有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/3/3