仿生侵蚀介质对滚刀/大理岩滚动摩擦磨损行为的影响

目的对比去离子水和仿生侵蚀介质2种工况下,滚刀/大理岩摩擦副在不同法向载荷作用下的滚动摩擦磨损行为,阐明仿生侵蚀介质对大理岩破碎去除和滚刀磨损的影响规律和作用机制,为化学手段辅助提升全断面隧道掘进机(TBM)破岩效率提供参考。方法表征自制仿生侵蚀介质对大理岩和H13钢滚刀的腐蚀性,基于自制滚压破岩模拟试验机研究滚刀/大理岩摩擦副的滚动摩擦磨损行为。结果仿生侵蚀介质对滚刀无明显腐蚀性,但会诱导大理岩表面产生次生裂隙和溶蚀孔,弱化岩石表面的力学性能。在法向载荷为45、75、105N时,相较于去离子水工况,在仿生侵蚀介质工况下大理岩的磨损体积分别提高了25.3%、9.3%、17.5%,滚刀破岩比能分别下降了28.3%、11.4%、20.0%。在法向载荷为45 N时,岩石表面的破坏形式主要为矿物颗粒破碎剥落。在法向载荷为75N时,岩石的去除量明显增大,表面形成了密实核。在法向载荷为105N时,岩石表面发生显著开裂和去除现象。结论仿生侵蚀介质能促进大理岩的破碎和去除,降低滚刀磨损和破岩比能。仿生侵蚀介质的作用受到岩石破坏形式的影响,在法向载荷较低时,岩石表面破坏形式以矿物颗粒剥落和密实核形成为主,仿生侵蚀介质仅作用于岩石表层,其效果有限;在法向载荷较高时,岩石表面会产生裂纹和开裂,有利于仿生侵蚀介质向岩石内部的渗透,刀具的破岩效率显著提高。

基于LabVIEW的滚压破岩模拟试验机研制

为考察不同环境工况下TBM滚刀的破岩特性,研制了一台小型滚压破岩模拟试验机。该试验机采用模块化设计,主要由基体及动力执行模块、数据采集模块、介质流率与温度控制模块三部分组成。其中,基体及动力执行模块主要包含试验机基体、加载主轴、滚刀夹具和岩石夹具,用来支撑试验装置和提供动力;基于LabVIEW的数据采集模块(力信号监测与分析系统)可在试验过程中实时显示和存储滚刀试样的法向力、滚动力、侧向力和摩擦系数数据;介质流率与温度控制模块由精密恒流蠕动泵、温度控制器和加热负载组成,用于试验过程中介质溶液的引入和温度保持。试验机的滚刀安装半径、介质环境、法向载荷、运动速率和时长等工况参数均可调。滚刀/大理岩在25℃去离子水介质工况下两种法向载荷作用的滚动摩擦磨损试验结果表明,该试验机可开展TBM滚刀在不同温度介质环境下的滚压破岩模拟试验。