[发明专利]测定盾构刀具在越江海砂层中磨损系数的试验装置和方法

权利要求书

1.一种测定盾构刀具在越江海砂层中磨损系数的试验装置，其特征在于，包括：试验台架、试验材料箱、模型刀盘、模型刀具、转速传感器、扭矩传感器、气泵和PLC控制系统；

所述试验台架由四根圆柱形立柱、上顶板、限位活动板、底板、液压驱动马达固定支架和底座组成，其中，四根圆柱形立柱用于固定上顶板、限位活动板和底板；

所述试验材料箱固定安装在试验台架的底板上，箱内装入模拟越江海砂层的试验材料；所述模型刀具安装在所述模型刀盘上，气泵通过输气管连接在试验材料箱上，对试验材料箱进行加压，所述转速传感器和所述扭矩传感器分别通过数据线与PLC控制系统相连。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述试验台架的立柱上端为阶梯型，用于上顶板的安装，上顶板中部留有一圆孔，为推进中心轴承的竖向运动提供空间，液压驱动马达固定支架焊接于限位活动板上，底板用于固定试验材料箱。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模型刀盘由中心圆板、刀盘辐条、刀盘环架和可装卸面板组成，其中，中心圆板与刀盘环架通过四根刀盘辐条焊接在一起，四根刀盘辐条成十字形布置，可装卸面板通过螺栓与中心圆板和刀盘环架连接。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述中心圆板背面焊接刀盘连接座，该刀盘连接座与推进中心轴承栓接，正面预留螺栓孔，在该螺栓孔上安装刀座，模型刀具安装于刀座上。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述刀盘辐条两侧沿其长边布置两贯穿的螺栓孔，在该螺栓孔上安装模型切刀。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述刀盘面板能够根据需要同时模拟盾构刀盘上不同位置的刀具，并改变刀间距，所述模型刀具能够根据试验需求改变模型刀具的倒角、刃角、刃宽形状参数及模型刀具的硬度。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转速传感器安装在液压驱动马达固定支架侧面，通过转速传感器监测中心轴承的转速与圈数，扭矩传感器安装在液压驱动马达与推进中心轴承之间，监测模型刀盘的扭矩，位移传感器监测模型刀具的推进速度，液压油缸的压力传感器监测模型刀具的推力，转速传感器、扭矩传感器、位移传感器和液压油缸的压力传感器分别通过数据线与数据采集仪相连，数据采集仪通过数据线与数据处理装置相连，所述数据采集仪与数据处理装置均集成在PLC控制系统中。

8.一种测定盾构刀具在越江海砂层中磨损系数的试验方法，其特征在于，应用于权利要求1至7任一项所述的装置，包括以下步骤：

步骤(1)、测量目标地层的地层参数、粒径或者级配情况；

步骤(2)、根据测得的目标地层的地层参数、粒径或者级配情况，结合室内土工正交试验，确定配置对应材料的组成、颗粒级配、添加剂及含水率，通过不同粒径和含量的石英砂替换组合，配置不同石英含量的试验材料；

步骤(3)、使用与目标地层相同级配、不同石英含量的试验材料进行多组模型刀具的磨损试验；

步骤(4)、根据多组模型刀具的磨损试验结果建立不同石英含量下磨损系数的数学计算模型，通过实测地层石英含量，计算确定该石英含量下刀具的磨损系数。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的地层参数包括摩擦角、粘聚力、含水量、压实度，测定方法为在现场取原状土，对原状土进行三轴试验或直剪试验确定其摩擦角、粘聚力，采用比重法测定原状土的含水量，采用挖坑灌砂法测定其密实度，颗粒级配采用筛分析方法测定。

10.根据权利要求8或者9所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中的所述刀具的磨损试验步骤如下：

1)测定每组试验中所用模型刀具的初始质量、硬度；

2)将模型刀具安装于刀具磨损试验机的模型刀盘上，并将试验材料置于试验材料箱中，每组模型刀具进行n次m_x％石英含量的试验，n≥3，每次使用一份试验材料，每次试验结束后将模型刀具从模型刀盘上卸下，进行清理，之后对模型刀具进行称重，n次试验结束后，记录模型刀具的初始质量及每次试验后模型刀具的质量；

步骤(4)中的所述不同石英含量下磨损系数的数学计算模型，通过以下步骤建立：

1)根据模型刀具4的初始质量以及n次模型刀具磨损试验后，模型刀具每次磨损试验后的质量以及n次磨损试验后每把模型刀具各自的切削距离，建立切削距离与磨损质量的关系，得出m_x％石英含量情况下刀具的磨损系数平均值；

2)依次进行多种石英含量的磨损试验，并计算得到各种石英含量下刀具的磨损系数平均值；

3)对各种石英含量下的磨损系数平均值与石英含量进行数值拟合，得到磨损系数平均值与石英含量的函数关系。