摘要:為考察不同環(huán)境工況下TBM滾刀的破巖特性,研制了一臺(tái)小型滾壓破巖模擬試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì),主要由基體及動(dòng)力執(zhí)行模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、介質(zhì)流率與溫度控制模塊三部分組成。其中,基體及動(dòng)力執(zhí)行模塊主要包含試驗(yàn)機(jī)基體、加載主軸、滾刀夾具和巖石夾具,用來支撐試驗(yàn)裝置和提供動(dòng)力;基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集模塊(力信號(hào)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng))可在試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)滾刀試樣的法向力、滾動(dòng)力、側(cè)向力和摩擦系數(shù)數(shù)據(jù);介質(zhì)流率與溫度控制模塊由精密恒流蠕動(dòng)泵、溫度控制器和加熱負(fù)載組成,用于試驗(yàn)過程中介質(zhì)溶液的引入和溫度保持。試驗(yàn)機(jī)的滾刀安裝半徑、介質(zhì)環(huán)境、法向載荷、運(yùn)動(dòng)速率和時(shí)長等工況參數(shù)均可調(diào)。滾刀/大理巖在25 ℃去離子水介質(zhì)工況下兩種法向載荷作用的滾動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果表明,該試驗(yàn)機(jī)可開展TBM滾刀在不同溫度介質(zhì)環(huán)境下的滾壓破巖模擬試驗(yàn)。
關(guān)鍵詞:TBM滾刀;滾壓破巖;模擬試驗(yàn)機(jī);LabVIEW
中圖分類號(hào):TH117.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A doi:10.3969/j.issn.1006-0316.2024.04.008
文章編號(hào):1006-0316 (2024) 04-0050-09
Development of Rock Breaking Simulation Testing Machine Based on LabVIEW
YANG Kanghui,WU Zhixin,LIU Shaorui,ZHENG Jing
( Tribology Research Institute, School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )
Abstract:In order to investigate the rock-breaking characteristics of TBM cutters under different environmental conditions, a small rock-breaking simulation testing machine is designed and developed in this paper. The testing machine is designed based on modular design methodology and is mainly composed of three parts: the base body and power execution module, the data acquisition module, and the medium flow and temperature control module. The base body and power execution module mainly includes the base body of the testing machine, the loading spindle and related fixtures, which are used to support the components of the testing machine and provide power. The data acquisition module based on LabVIEW (the force signal monitoring and analysis system) can display and store the normal force, rolling force, lateral force, and friction coefficient data of the cutter sample in real time during the testing process. The medium flow and temperature control module is mainly composed of a precise peristaltic pump with controllable flow, a temperature controller, and a heating device, which are used to introduce the medium solution and maintain the medium temperature during the experiment. The operating parameters of the testing machine allows for adjustable parameters such as the installation radius, medium environment, normal force, rotating angular, velocity and duration of the cutter. The cutter/marble rolling friction and wear test results under two normal loads at 25 ℃ in deionized water show that the testing machine can conduct rock-breaking simulation tests of TBM cutters under the medium environments with different temperature.
Key words:TBM cutter;rock-breaking;simulation testing machine;LabVIEW
TBM(Tunnel Boring Machine,隧道掘進(jìn)機(jī))廣泛應(yīng)用于隧道掘進(jìn)施工[1-2]。施工過程中,TBM滾刀在推力和扭矩的作用下貫入巖石并進(jìn)行自轉(zhuǎn),利用滾刀與巖石間的沖擊和摩擦作用來實(shí)現(xiàn)巖石破碎和材料去除[3-4]。采用滾壓破巖試驗(yàn)機(jī)開展各種工況下的滾刀破巖試驗(yàn),是研究滾刀破巖特性的常用手段[5-7]?,F(xiàn)有研究多采用破巖模擬試驗(yàn)機(jī),考察巖石類型和滾刀推進(jìn)力、扭矩等載荷參數(shù)對(duì)刀具磨損的影響[8-9]。此外,化學(xué)介質(zhì)和溫度也會(huì)影響滾刀的破巖特性[10-12]?;诖?,本文研制了一臺(tái)小型滾壓破巖模擬試驗(yàn)機(jī),可進(jìn)行滾壓接觸模式下TBM滾刀在不同溫度介質(zhì)環(huán)境中的破巖試驗(yàn)研究。
1 試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)
該小型滾壓破巖模擬試驗(yàn)機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì),主要由基體及動(dòng)力執(zhí)行模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、介質(zhì)流率與溫度控制模塊三部分組成,結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。其中,加載主軸是滾刀試樣向下貫入巖石的動(dòng)力源,三維力傳感器通過夾具固定在加載主軸底部,可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過程中滾刀試樣受到的動(dòng)態(tài)載荷;滾刀試樣通過滾刀夾具固定在三維力傳感器底部,巖石樣品通過巖石夾具固定在旋轉(zhuǎn)主軸上進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);介質(zhì)溶液通過噴灑裝置按照預(yù)設(shè)流率引入刀-巖界面;U形加熱負(fù)載與溫控器配合來控制介質(zhì)溫度。試驗(yàn)機(jī)工作時(shí),介質(zhì)溶液溫度保持恒定,巖石樣品在旋轉(zhuǎn)主軸上以恒定轉(zhuǎn)速做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),加載主軸按預(yù)設(shè)載荷給滾刀試樣提供法向加載,滾刀試樣在法向載荷的作用下與巖石樣品表面接觸并進(jìn)行自轉(zhuǎn),完成滾壓破巖動(dòng)作。滾刀試樣的力信號(hào)通過三維力傳感器采集,并經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路放大、濾波后送至數(shù)據(jù)采集卡,數(shù)據(jù)采集卡模數(shù)轉(zhuǎn)換后將采集的信息送至上位機(jī),經(jīng)采集程序進(jìn)一步處理后可實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)。試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。
1.1 基體及動(dòng)力執(zhí)行模塊
基體及動(dòng)力執(zhí)行模塊主要用來支撐試驗(yàn)裝置和提供旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與法向載荷,同時(shí),為了滿足高溫介質(zhì)工況下的模擬破巖試驗(yàn)需求,試驗(yàn)機(jī)基體還需具有良好的排水及散熱功能。調(diào)研發(fā)現(xiàn),UNIPOL-1200S型自動(dòng)壓力研磨拋光機(jī)可在加載軸法向載荷的同時(shí),下盤提供恒定的轉(zhuǎn)速,且具有較大的變載和調(diào)速范圍,開敞式設(shè)計(jì)和自帶排水口可解決散熱及排水問題。綜合考慮試驗(yàn)需求、制造成本及設(shè)備開發(fā)周期,本文選用UNIPOL-1200S型自動(dòng)壓力研磨拋光機(jī)的基體和動(dòng)力執(zhí)行部分,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)、制造加載主軸、巖石夾具和滾刀夾具。
加載主軸結(jié)構(gòu)如圖2所示,采用頂絲與原器件相連,極大節(jié)省了軸底部空間。主軸材料采用中碳調(diào)制鋼40Cr1,這種鋼具有較好的綜合力學(xué)性能,調(diào)制處理后常用于制造承受中等負(fù)荷及中等速度工作的機(jī)械零件。加載主軸在試驗(yàn)過程中主要承受法向載荷,軸端所受的彎矩可忽略不計(jì)。強(qiáng)度校核結(jié)果顯示,加載主軸滿足強(qiáng)度條件。
巖石夾具結(jié)構(gòu)如圖3所示,通過三個(gè)定位片來固定巖石樣品,其底部沿圓周均勻分布的三個(gè)圓柱銷與旋轉(zhuǎn)主軸相連,傳遞轉(zhuǎn)矩。夾具應(yīng)盡可能輕量化以減小其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,同時(shí)還應(yīng)具有一定的耐腐蝕性,以避免試驗(yàn)過程中與介質(zhì)溶液直接接觸導(dǎo)致夾具腐蝕。因此,該巖石夾具選用具有高強(qiáng)度、高硬度、可焊接性及良好抗腐蝕性的6系鋁合金6061-T6材料。試驗(yàn)過程中銷軸會(huì)承受一定的載荷,需按照擠壓和剪切強(qiáng)度條件進(jìn)行校核:
式中:σp為擠壓應(yīng)力;τ為剪切應(yīng)力;T為最大轉(zhuǎn)矩;D為銷軸的安裝圓周直徑;d為銷軸直徑;l為銷軸長度。
已知:T=36 000 N×mm,D=162 mm, " " d=9 mm,l=24 mm。
計(jì)算得:σp=4 MPa,τ=2 MPa。
查閱文獻(xiàn)得:6061-T6的許用剪切應(yīng)力 " [τ]=124 MPa,許用擠壓應(yīng)力[σp]=165 MPa[13]。
校核結(jié)果為:σp≤[σp],擠壓強(qiáng)度滿足要求;τ≤[τ],剪切強(qiáng)度滿足要求。
滾刀夾具結(jié)構(gòu)如圖4所示,主要包含底座、軸、套筒、軸承端蓋、墊片、螺釘?shù)?,用來支撐滾刀試樣并使其沿軸線進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
滾刀夾具與三維力傳感器相連,因此,首先依據(jù)傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滾刀夾具底座,然后進(jìn)行軸的設(shè)計(jì),主要包含軸的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核。軸是滾刀夾具傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的關(guān)鍵零件,因此,軸的設(shè)計(jì)必須考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核,以保證軸上零件能正確定位和固定。本文首先根據(jù)軸上零件確定軸的結(jié)構(gòu)形式,然后依據(jù)軸的受力情況和材料特性對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度校核。滾刀通過軸環(huán)和套筒固定在軸的正中間,軸兩端各有一個(gè)MR74ZZ軸承,軸承通過軸承端蓋進(jìn)行軸向固定。根據(jù)軸的失效方式,軸材料應(yīng)具有一定的剛度、強(qiáng)度和耐磨性,同時(shí)還需考慮經(jīng)濟(jì)性和工藝性等因素。目前軸的常用材料為碳素鋼和合金鋼,因此選擇調(diào)制處理后綜合力學(xué)性能較好的合金鋼40Cr1材料制造軸。鑒于軸在試驗(yàn)過程中承受彎矩和極小的扭矩,按彎曲強(qiáng)度條件校核。
軸上各處彎矩為:
式中: 為軸上任意點(diǎn)處的彎矩;x為軸上點(diǎn)距軸一端的距離; 為最大法向載荷;L為軸的長度;σca為軸危險(xiǎn)截面的彎曲應(yīng)力; 為軸最大彎矩; 為軸的直徑。
由式(3)可知,軸的危險(xiǎn)截面在軸正中間。
已知: =240 N,L=18 mm, =4 mm。
計(jì)算得: =1080 N×mm,σca=169 MPa。
查閱文獻(xiàn)得:40Cr1的對(duì)稱循環(huán)許用應(yīng)力[σ-1b]=360 MPa[13]。
校核結(jié)果為:σca≤[σ-1b],軸的彎曲強(qiáng)度滿足要求。
1.2 數(shù)據(jù)采集模塊
數(shù)據(jù)采集模塊包含以三維力傳感器、信號(hào)調(diào)理電路與數(shù)據(jù)采集卡為主的硬件平臺(tái)和基于LabVIEW的力信號(hào)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)兩部分,主要用于對(duì)滾刀試樣力信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、顯示和存儲(chǔ),采集原理如圖5所示。
硬件平臺(tái)的作用是將力傳感器采集的模擬信號(hào)處理后傳遞給系統(tǒng)軟件,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)需求對(duì)各部件進(jìn)行選型。試驗(yàn)過程中,滾刀試樣同時(shí)受到法向力、切向力(滾動(dòng)力)和側(cè)向力的作用,綜合考慮量程、線性度、精度、靈敏度和環(huán)境干擾等因素,本文選用深圳耐特恩科技有限公司的K3B50型三維力傳感器,主要性能參數(shù)如表2所示。
表2 三維力傳感器性能參數(shù)
三維力傳感器將原始力信號(hào)等比例轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào),這些模擬電壓信號(hào)數(shù)值較小且含有雜波,必須通過調(diào)理電路進(jìn)行適當(dāng)處理后才能傳遞給數(shù)據(jù)采集卡。綜合考慮輸出信號(hào)的類型和濾波范圍等,本文采用Huatran的HSGA3-L-010-5型模擬放大器,主要性能參數(shù)如表3所示,該放大器三個(gè)通道獨(dú)立可調(diào),卡軌安裝方便。
傳感器采集的信號(hào)經(jīng)放大和濾波處理后得到的仍是模擬信號(hào),需經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡模數(shù)轉(zhuǎn)換后才能被上位機(jī)識(shí)別和處理。綜合考慮采樣通道數(shù)、分辨率、采樣率等因素,選擇NI公司的USB-6002型數(shù)據(jù)采集卡,主要性能參數(shù)如表4所示。該數(shù)據(jù)采集卡的輸入阻抗較高,因此其數(shù)據(jù)流入準(zhǔn)確性較高,且具有與LabVIEW直接適配的驅(qū)動(dòng),連接更為方便。
本文采用LabVIEW開發(fā)上位機(jī)采集程序。相比文本編程語言,LabVIEW以框圖形式生產(chǎn)程序,且其開發(fā)環(huán)境集成了大量構(gòu)建各種應(yīng)用所需的工具,程序開發(fā)效率較高。在正式編寫程序前,需先借助DAQmx驅(qū)動(dòng)程序完成數(shù)據(jù)采集卡與LabVIEW的連接,本文使用的是NI數(shù)據(jù)采集卡,因此不用再安裝第三方驅(qū)動(dòng)程序。連接成功后,即可在程序中調(diào)用DAQmx數(shù)據(jù)采集函數(shù)來編寫采集程序。
編寫采集程序前,首先應(yīng)根據(jù)任務(wù)需要確定總的程序執(zhí)行模式。LabVIEW中常用的程序執(zhí)行模式有三種,分別為單線程執(zhí)行模式、多線程并行執(zhí)行模式和串并行結(jié)合執(zhí)行模式[14]。本程序編寫目的是完成對(duì)三個(gè)通道力信號(hào)連續(xù)不斷的采集和存儲(chǔ),數(shù)據(jù)量較大,且需要實(shí)時(shí)顯示。綜合比較各設(shè)計(jì)模式的優(yōu)劣,本文選擇多線程并行執(zhí)行模式中的生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式,通過隊(duì)列操作連接各個(gè)任務(wù),可以實(shí)時(shí)顯示、處理和保存采集到的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過TDMS文件保存并可通過Excel表格打開,方便后續(xù)分析和處理。此外,程序還具有波形初始化、采集通道設(shè)置、傳感器標(biāo)定、波形回放等功能。采集程序包含一個(gè)生產(chǎn)者/消費(fèi)者循環(huán)(事件)和一個(gè)生產(chǎn)者/消費(fèi)者循環(huán)(數(shù)據(jù)),前者控制程序是否執(zhí)行,后者完成數(shù)據(jù)采集、處理和存儲(chǔ),前者的消費(fèi)者同時(shí)也是后者的生產(chǎn)者。
生產(chǎn)者/消費(fèi)者(事件)的程序框圖如圖6所示,程序中包含“開始采集”和“停止”兩個(gè)事件,當(dāng)前面板上按下按鈕后,生產(chǎn)者循環(huán)對(duì)應(yīng)事件內(nèi)的任務(wù)開始執(zhí)行,并將命令通過隊(duì)列發(fā)送到消費(fèi)者循環(huán),以便執(zhí)行后續(xù)任務(wù)。此外,波形圖表和數(shù)組等在程序運(yùn)行一次后,會(huì)留有上次的波形和數(shù)據(jù),影響使用,因此本文在生產(chǎn)者循環(huán)內(nèi)添加了初始化程序,程序運(yùn)行時(shí)會(huì)自動(dòng)清除上一次的數(shù)據(jù)。
生產(chǎn)者/消費(fèi)者(數(shù)據(jù))的程序框圖如圖7所示,其生產(chǎn)者循環(huán)位于消費(fèi)者循環(huán)(事件)中,當(dāng)任務(wù)指令通過隊(duì)列傳遞到消費(fèi)者循環(huán)(事件)后,對(duì)應(yīng)指令事件便開始執(zhí)行。若收到的指令為“開始采集”,程序便開始采集任務(wù),生產(chǎn)者循環(huán)(數(shù)據(jù))負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù),并實(shí)時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)通過隊(duì)列傳遞到消費(fèi)者循環(huán)(數(shù)據(jù))進(jìn)行處理、顯示和存儲(chǔ)。當(dāng)收到“停止”指令時(shí),生產(chǎn)者循環(huán)(數(shù)據(jù))將指令發(fā)送到消費(fèi)者循環(huán)(數(shù)據(jù))后停止工作,后者接收到指令后整個(gè)程序停止運(yùn)行。
數(shù)據(jù)采集程序位于生產(chǎn)者循環(huán)(數(shù)據(jù))中,編寫采集任務(wù)程序時(shí),應(yīng)先按照數(shù)據(jù)采集卡的接線方式建立數(shù)據(jù)通道,再根據(jù)信號(hào)特點(diǎn)設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù),如采樣模式、采樣最大最小值、采樣率、單通道緩沖區(qū)大小等。信號(hào)被DAQmx函數(shù)采集并通過隊(duì)列進(jìn)行傳輸。為簡化程序框圖,便于后期調(diào)試和維護(hù),本文將通道選擇和數(shù)據(jù)采集設(shè)置程序集成為兩個(gè)子VI(Virtual Instrument,虛擬儀器),如圖8、圖9所示。
如圖7所示,傳輸?shù)较M(fèi)者循環(huán)(數(shù)據(jù))的數(shù)據(jù)為電壓信號(hào)的波形數(shù)據(jù),須經(jīng)信號(hào)分拆、比例放大等處理后才能顯示在波形圖上。波形數(shù)據(jù)通過TDMS存儲(chǔ)程序進(jìn)行存儲(chǔ),可用Excel表格打開進(jìn)行分析處理,也可直接通過TDMS查看器進(jìn)行回放,如圖10所示。
程序編寫完成后,使用分隔欄、前面板控件、窗口設(shè)置、窗格等對(duì)程序前面板的布局和外觀進(jìn)行設(shè)計(jì),改進(jìn)前面板的易用性,使用戶更容易識(shí)別各項(xiàng)操作,如圖11所示。
1.3 介質(zhì)流率與溫度控制模塊
該模塊主要用于試驗(yàn)過程中介質(zhì)溶液的引入和溫度保持,其中,BT600-2J型精密恒流蠕動(dòng)泵將介質(zhì)溶液引入刀-巖界面,其流率控制范圍為4.2~6000 ml/min;溫度控制模塊可以維持不同溫度的介質(zhì)溶液環(huán)境,其包含溫控器、溫度傳感器、加熱負(fù)載和相關(guān)夾具,溫度控制原理如圖12所示。
溫度控制器型號(hào)為希崖WK型,配合溫度傳感器一起使用,控溫精度為±1 ℃,控溫范圍為-40~120 ℃。為保證加熱均勻,加熱負(fù)載設(shè)計(jì)為U形,外殼為304不銹鋼,內(nèi)部為電熱合金材料制成的電熱絲。考慮到介質(zhì)溶液可能與周圍環(huán)境存在溫差,為維持恒溫介質(zhì)溶液環(huán)境,加熱負(fù)載的加熱功率必須大于介質(zhì)溶液的散熱功率,實(shí)測(cè)1 min介質(zhì)溫度降低約10 ℃,熱量損失按3%計(jì)算,安全系數(shù)為1.2,加熱功率校核為:
(5)
(6)
式中:Q為加熱負(fù)載所需提供的熱量;c為介質(zhì)比熱容;m為介質(zhì)質(zhì)量;ΔT為介質(zhì)放熱后溫度變化量;P為加熱負(fù)載所需功率;t為放熱時(shí)間。
已知:c=4.2×103 J/(kg·℃),m=1.5 kg,ΔT=10 ℃,t=60 s。
計(jì)算可得:P=1298 W。
本文采用的加熱負(fù)載額定功率為1500 W,滿足試驗(yàn)需求。
2 試驗(yàn)測(cè)試與分析
滾壓破巖模擬試驗(yàn)機(jī)及試驗(yàn)?zāi)Σ粮比鐖D13所示。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為:滾刀試樣的安裝半徑70 mm,公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速30 r/min,法向載荷分別為45 N和105 N,試驗(yàn)時(shí)間10 min,介質(zhì)工況為25 ℃去離子水。巖石樣品表面的磨斑輪廓采用超景深三維顯微鏡(VHX-5000,KEYENCE,Japan)表征。
試驗(yàn)結(jié)果如圖14、圖15所示。可以看出,滾刀試樣在法向載荷的作用下與大理巖樣品表面接觸,摩擦系數(shù)隨著滾壓時(shí)間的增加而增大,其中,105 N時(shí)摩擦系數(shù)更大,增長更快,且波動(dòng)更劇烈。相比45 N,大理巖樣品在105 N時(shí)的磨斑深度與寬度顯著增大,且磨斑邊緣出現(xiàn)明顯的斜坡,這意味著105 N時(shí)滾刀試樣的貫入度增大,巖石去除量也隨之增加,且?guī)r石樣品磨斑邊緣出現(xiàn)巖石破碎與剝落,這與105 N時(shí)摩擦系數(shù)更大、增長更快、波動(dòng)更劇烈相對(duì)應(yīng)。上述法向載荷對(duì)滾刀破巖的影響規(guī)律與文獻(xiàn)[15-16]描述一致。
3 結(jié)論
(1)設(shè)計(jì)研制了一臺(tái)小型滾壓破巖模擬試驗(yàn)機(jī),該試驗(yàn)機(jī)的滾刀安裝半徑、介質(zhì)環(huán)境、法向載荷、運(yùn)動(dòng)速率和運(yùn)動(dòng)時(shí)間等工況參數(shù)均可調(diào),可進(jìn)行不同溫度介質(zhì)環(huán)境下的滾壓破巖模擬試驗(yàn)?;贚abVIEW的力信號(hào)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)試驗(yàn)過程中滾刀試樣的法向力、滾動(dòng)力、側(cè)向力和摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)。
(2)滾刀/大理巖在25 ℃去離子水介質(zhì)工況下兩種法向載荷作用的滾動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果表明,該試驗(yàn)機(jī)可開展TBM滾刀在不同溫度介質(zhì)環(huán)境下的滾壓破巖模擬試驗(yàn)。
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