一種巖石磨蝕性實驗

郭 璐，陳 饋，李鳳遠(yuǎn)，韓偉鋒

(盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點實驗室，河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著我國隧道及地下工程的快速發(fā)展，TBM、盾構(gòu)等各類隧道掘進(jìn)機(jī)械得到了廣泛應(yīng)用。刀具作為隧道掘進(jìn)機(jī)械開挖的關(guān)鍵部件，在施工中起到非常重要的作用，刀具的磨損程度直接關(guān)系到掘進(jìn)效率和經(jīng)濟(jì)效益［1－3］。從目前隧道施工生產(chǎn)實踐來看，復(fù)雜多變的地質(zhì)體是影響刀具磨損的重要因素之一［4］，如何采用有效的參數(shù)指標(biāo)來衡量巖石的磨蝕特性已成為國內(nèi)外專家關(guān)注的熱點。

目前，一些研究采用巖石抗壓強(qiáng)度來衡量巖石的磨蝕特性，認(rèn)為巖石抗壓強(qiáng)度越高磨蝕性就越強(qiáng)，但是單純采用巖石抗壓強(qiáng)度這一個物理特性指標(biāo)來衡量巖石的磨蝕性并沒有充分從巖－機(jī)結(jié)合的角度進(jìn)行考慮［5－6］;還有一些研究采用石英含量來評價巖石磨蝕特性的強(qiáng)弱，認(rèn)為石英是巖石中的主要磨蝕性礦物，石英含量對巖石磨蝕性有著較大影響，石英含量越高，巖石的磨蝕性就越強(qiáng)［7－8］，但是巖石中除了石英還含有其他像長石、輝石、閃石等硬度也很高的礦物，這些礦物對巖石磨蝕性影響也比較大，因此只用石英含量衡量巖石磨蝕性強(qiáng)弱也不充分。

盡管巖石的磨蝕性明顯地影響了掘進(jìn)速度和刀具材料的消耗，但這方面的研究還很少，至今在國內(nèi)乃至國際還未建立起統(tǒng)一、規(guī)范的巖石磨蝕性指標(biāo)，也缺乏較通用的測定巖石磨蝕性的實驗裝置。本文從巖－機(jī)結(jié)合的角度出發(fā)，開展一種新的巖石磨蝕性實驗方法研究，與傳統(tǒng)的實驗方法相比，該方法具有裝置簡單、操作方便、無破壞性的優(yōu)點，對試樣的要求不高，且?guī)r石磨蝕值是一個綜合性指標(biāo)，指導(dǎo)性更強(qiáng)。

1 巖石磨蝕性實驗

1.1 實驗原理

巖石磨蝕性實驗是由法國Cerchar研究所在1973年提出，并在1989年由West對109個巖石樣本進(jìn)行了量化分類［9－10］，建立了巖體特性與磨蝕系數(shù)間的關(guān)系，其準(zhǔn)確性在大量工程中得到了驗證。實驗采用一根合金鋼針(錐角90°)在70 N的荷載下摩擦巖石表面，鋼針在巖石表面緩慢(10 mm/min)移動10 mm后，其針尖損失的平均直徑(以×10－1mm為計量單位)被定義為巖石磨蝕系數(shù)。

1.2 實驗設(shè)備

盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點實驗室ATA－IGGI巖石磨蝕伺服實驗儀如圖1所示，該實驗設(shè)備由磨蝕實驗裝置部分和量測記錄部分組成。磨蝕實驗裝置部分由計算機(jī)、EDC控制器、框架、伺服電機(jī)、變速箱、傳動系統(tǒng)、虎鉗、鋼針及夾具組成;量測記錄部分有鋼針磨蝕測量裝置(高清數(shù)碼顯微鏡)，同時，與Cerchar傳統(tǒng)的實驗設(shè)備相比，該設(shè)備的量測記錄部分增加了水平光柵位移傳感器、垂向光柵位移傳感器、力傳感器，可以實時獲得水平力值、水平位移值、垂向位移值、巖石刻痕深度值;實時監(jiān)測實驗過程數(shù)據(jù)曲線，對于深入研究巖石磨蝕性對刀具磨損的影響具有一定的參考意義。

實驗設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 ATA-IGGI巖石磨蝕伺服實驗儀Fig.1 ATA-IGGI rock abrasiveness servo system

1.3 實驗方法

1)實驗巖樣的制備非常重要，通過取芯機(jī)、自動巖石切割機(jī)、雙端面磨石機(jī)將原始巖樣經(jīng)過鉆、切、磨3道工藝加工成直徑為(50±1)mm、高度為(40±1)mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試樣，試樣上、下端面保持平行，試樣端面的平面度公差＜0.05 mm，端面對于試樣軸線垂直度偏差≤0.25°。加工后的試樣如圖2所示。

表1 ATA-IGG I巖石磨蝕伺服實驗儀主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of rock abrasiveness servo system(ATA-IGGI)

圖2 巖石磨蝕性實驗標(biāo)準(zhǔn)試樣Fig.2 Standard samples for rock abrasiveness test

2)實驗前，先用60倍高清數(shù)碼顯微鏡確認(rèn)實驗原始鋼針針尖是否完好，針尖錐度是否為90°，并記錄下鋼針的原始典型顯微圖像。

3)啟動EDC控制器，打開計算機(jī)實驗控制軟件，連接實驗機(jī)控制器，設(shè)置合適的參數(shù)，同時打開測量系統(tǒng)，使實驗機(jī)先以10 mm/min的位移速度空轉(zhuǎn)5 mm并歸位，檢查伺服控制器與伺服電機(jī)是否正常運行，檢查位移、力和時間測量是否正常;所有部件正常后進(jìn)行下一步實驗，不正常停機(jī)檢查。

4)將鋼針放入夾具內(nèi)，擰緊夾具;再將實驗巖樣放入虎鉗中，轉(zhuǎn)動虎鉗手柄夾緊巖樣至不晃動即可，保證巖樣實驗面水平，緩緩旋下主機(jī)荷重，使鋼針針尖與試樣表面接觸，并注意在安裝鋼針并放置到實驗巖樣上時一定要輕，避免放針過猛導(dǎo)致針尖被撞磨而造成人為誤差。

5)在實驗控制軟件上新建一個項目，重新設(shè)置參數(shù)，使鋼針在試樣表面以10 mm/min的位移速度水平移動10 mm。

6)取下鋼針放在60倍顯微觀測儀載物臺上，調(diào)整鋼針位置和觀測儀焦距，用測量軟件測量磨損后鋼針針尖直徑;再將鋼針軸向旋轉(zhuǎn)120°2次，進(jìn)行三分旋轉(zhuǎn)實驗，記錄3次鋼針針尖測量數(shù)據(jù)，并記錄鋼針磨蝕后測量的典型顯微圖像。

7)根據(jù)顯微鏡測量標(biāo)定換算，以×10－1mm為測量單位，將鋼針測量數(shù)據(jù)換算為巖石的磨蝕值，3次換算的算術(shù)平均值作為該方向的磨蝕值。

8)每組實驗巖樣不少于3塊，由于巖石的各向異性，應(yīng)當(dāng)在試樣表面劃痕2次，并且2次劃痕方向相互正交，取其平均值作為該試樣的磨蝕值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 巖石磨蝕值的換算

巖石磨蝕性實驗充分考慮巖石與鋼針的相互作用，通過鋼針針尖損失的平均直徑來表征巖石的磨蝕值。用60倍高清數(shù)碼顯微鏡測得鋼針磨損的直徑并經(jīng)過換算得到巖石的磨蝕值。

鋼針磨損直徑

式中:d為鋼針磨損直徑實際值，μm;L為鋼針磨損直徑測量值(如圖3所示)，μm;α為顯微鏡標(biāo)定系數(shù)。

巖石磨蝕值為d/100(單位:×10－1mm)。

圖3 鋼針磨損直徑測量值圖例Fig.3 Measurement of stylus wear diameter

1.4.2 巖石磨蝕性等級

法國 Cerchar研究所 (1986年)和 Thuro，Plinninger(1998年)在大量實驗的基礎(chǔ)上將巖石磨蝕值與巖石磨蝕性之間的關(guān)系進(jìn)行了分類，如表2所示。從表2可以看出，巖石磨蝕值越大對應(yīng)巖石的磨蝕性就越高。

表2 巖石磨蝕性等級分類表Table 2 Classification of rock abrasiveness

2 巖石磨蝕性實驗的工程應(yīng)用

選用廣州某地鐵施工項目為研究對象，從施工現(xiàn)場取回具有代表性的3種不同巖石進(jìn)行磨蝕性實驗，并將3種巖石磨蝕值結(jié)果與施工現(xiàn)場刀具磨損數(shù)據(jù)對比分析，深入研究巖石磨蝕性與刀具磨損之間的關(guān)系。

2.1 巖石磨蝕值結(jié)果

將取回的3種巖石分為3組，每組選擇3個實驗巖樣并分類編號，按照上述巖石磨蝕性實驗方法進(jìn)行巖石磨蝕性實驗，磨蝕值結(jié)果見表3所示。對比巖石磨蝕性等級分類表可以發(fā)現(xiàn)3種巖石的磨蝕性依次增強(qiáng)。

表3 3種巖石磨蝕值結(jié)果統(tǒng)計表Table 3 Test results of abrasiveness of three types of rocks

2.2鋼針磨蝕前后對比結(jié)果

由于鋼針的材料為40CrNiMo，與滾刀刀圈的材質(zhì)類似，鋼針針尖的磨損照片更能直觀反映巖石對滾刀的磨蝕性，因此將3種巖石鋼針磨蝕前后的照片(表4所示)對比發(fā)現(xiàn):1#巖石的磨蝕值為1.38時，鋼針針尖已經(jīng)發(fā)生了磨損，但針尖損耗的直徑并不大，說明磨損比較輕微;2#巖石的磨蝕值為3.38時，鋼針發(fā)生了非常明顯的磨損，并且針尖邊沿處還發(fā)生了應(yīng)力變形;3#巖石的磨蝕值為4.21時，鋼針針尖的磨損直徑較前2種明顯有所增大，說明巖石的磨蝕性明顯增強(qiáng)，對刀具的磨損更厲害。從巖石表面劃痕照片來看，磨蝕值低的巖石，鋼針在上面的劃痕深度明顯，說明巖石磨蝕性比較弱，相反，磨蝕值高的巖石，鋼針在上面的劃痕就不是很明顯，劃痕深度也比較淺，說明巖石磨蝕性比較強(qiáng)。

表4 鋼針磨蝕前后照片及巖石劃痕照片Table 4 Pictures of stylus wearing and rock scratching

2.3 施工現(xiàn)場刀具磨損情況

3種不同磨蝕性的巖石各代表3段不同的掘進(jìn)區(qū)間，收集這3段區(qū)間內(nèi)相同位置3把滾刀的磨損數(shù)據(jù)，將滾刀平均磨損量與巖石的磨蝕值進(jìn)行對比分析得到刀具磨損量與巖石磨蝕性之間的關(guān)系，如圖4所示。圖4中橫坐標(biāo)為掘進(jìn)區(qū)間，每段均選取30環(huán)左右，各記錄5個磨損數(shù)據(jù)，縱坐標(biāo)為3把滾刀磨損的平均值，為了方便對比分析，將曲線顯示在同一坐標(biāo)軸下，起始環(huán)的磨損量均記為零。從圖4可以直觀、清晰地看到，巖石磨蝕性越強(qiáng)，刀具磨損量相對越大，從而更加真實地反映出巖石磨蝕性對刀具磨損的影響。

3 結(jié)論與建議

本文從巖－機(jī)結(jié)合的角度出發(fā)，充分考慮巖石與鋼針之間的相互作用，開展一種新的巖石磨蝕性實驗方法，確定了一種新的衡量巖石磨蝕性指標(biāo)，并將施工現(xiàn)場刀具磨損數(shù)據(jù)與巖石磨蝕值進(jìn)行對比分析，直觀反映出刀具磨損與巖石磨蝕性之間的關(guān)系，驗證了該實驗方法的可靠性。巖石磨蝕性實驗對于研究和判定刀具的磨損是非常有用的，能夠有效地指導(dǎo)施工工程。但目前對該實驗方法的研究尚處在一個初始階段，巖石磨蝕值與刀具磨損量之間的關(guān)系還缺乏一些實際的量化指標(biāo)，建議把巖石磨蝕性實驗和刀具破巖模擬實驗以及現(xiàn)場刀具磨損數(shù)據(jù)相結(jié)合，深入研究巖石磨蝕性對刀具磨損的影響。

圖4 刀具磨損量與巖石磨蝕值之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between cutting tool wearing and rock abrasiveness

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