TBM滚刀刀圈硬度与岩石匹配性能试验

为了研究TBM滚刀刀圈硬度与岩石匹配性能对滚刀刀圈磨损量及磨损去除机制的影响机理,将四种材料相同但硬度不同的滚刀刀圈试样分别与同一种TBM工程中典型的花岗岩试样进行匹配磨损试验.试验结果表明:材料相同硬度不同的刀圈,其微观组织结构存在一定的差异,刀圈硬度对刀圈磨损量及磨损去除机制有显著影响.随着刀圈硬度的增加,刀圈的磨损量呈先减小后增大的变化趋势且硬度最高的刀圈的磨损量最大.当刀圈硬度较低时,刀圈的磨损以显微切削去除机制为主,且在一定范围内随着刀圈硬度的增加,显微切削去除作用减弱,刀圈的耐磨性更好;但当刀圈硬度高于一定值后,刀圈的磨损去除机制发生转变,刀圈磨损以韧性断裂剥落去除机制为主,刀圈的耐磨性急剧变差.     

刃形对硬岩地层中TBM滚刀磨损行为的影响研究

全断面隧道掘进机(TBM)是用于长大隧道建设的关键装备，在公路铁路、引水输水等国家重大战略工程中发挥着重要作用.盘形滚刀位于TBM最前端，是执行破岩掘进的关键零部件.冲击重载和缺少润滑等恶劣工况条件导致滚刀在面对硬岩地层时磨损速率极高，频繁更换刀具对隧道建设的工期、成本和安全性造成严重负面影响.对滚刀磨损机理的深入研究是建立长寿命高性能滚刀设计方法的必经之路.滚刀截面形状以及表面结构是刀-岩接触行为的决定性因素之一，而接触行为对滚刀磨损存在直接影响，但机理机制尚不十分清楚.本文中使用高强度花岗岩开展滚刀磨损试验，针对工程实际中最常用的平顶与圆顶滚刀，研究不同刃形滚刀在磨损过程中切削力、质量损失和表面形貌演变的规律，并结合有限元数值仿真，揭示滚刀刃形通过改变刀-岩接触状态而影响其磨损行为的机理.结果表明，在通过相同距离时平顶滚刀直径变化量小，即达到磨损极限时行进总距离更长、耐磨性更好.圆顶滚刀接触应力集中效应明显，容易发生局部磨损，使圆顶滚刀半径变化更大；但在相同刀盘推力下，圆顶滚刀侵入岩石的深度大于平顶滚刀，在破岩效率方面具有潜在优势.本研究对工程实际中滚刀选型与设计具有重要指导意义.     

盾构滚刀刀圈材料的冲滑复合磨损性能研究

盾构滚刀的磨损极大影响了隧道工程的掘进效率,滚刀主要发生冲击-滑动(冲滑)复合磨损,而刀盘与地层之间的相对刚度对滚刀的磨损行为存在显著影响,因此本文中在自主研制冲滑复合摩擦磨损试验机上对滚刀刀圈材料H13钢进行不同结构刚度下的磨损试验,并采用光学显微镜、扫描电镜和白光干涉仪等微观分析设备对不同结构刚度下H13钢的冲滑复合磨损特性和机理进行了分析和揭示. 结果表明:随着结构刚度的增大,压载荷作用时间增长并逐渐起主导作用,摩擦副在滑动区接触时间增长,H13钢损伤最严重区域有沿着冲滑方向移动的趋势,相应地,磨损机制由磨粒磨损变为磨粒磨损与黏着磨损混合形式. 在本研究中再现了盾构滚刀冲滑复合磨损的界面微观工作状态,深入探究了滚刀刀圈材料的微观磨损机理,可辅助了解滚刀与不同软硬程度地层间的相互作用,并为滚刀刀圈材料的磨损性能评价提供了新的研究方法和手段.      

新型TBM刀圈材料微观组织及耐磨性能研究

TBM刀圈材料是一种对强韧性、耐磨性要求很高的合金钢材料. 目前常用的H13、DC53型TBM刀圈材料综合性能有待提高. 通过优化合金元素配比,制备出一种强韧型综合性能较好的新型TBM刀圈材料DB1,利用光学显微镜和扫描电子显微镜对DB1、H13和DC53的微观组织及断口形貌进行了观察分析,研究了不同载荷和不同硬度岩石条件下DB1与H13、DC53的磨损性能的差异,并对其磨损表面形貌进行扫描电子显微镜观察分析. 结果表明:一次碳化物的平均尺寸和含量对TBM刀圈材料的硬度、韧性及耐磨性有重要影响;适量的一次碳化物有助于提高材料的硬度及耐磨性;过多的一次碳化物会导致材料韧性急剧下降. 岩石抗压强度与刀圈具有匹配性,新型TBM刀圈材料DB1钢用于中等抗压强度的岩石时具有较好的耐磨性.      

TC11钛合金在人造海水中的腐蚀磨损特性研究

采用球-面接触方式,在振幅为5 mm条件下研究了TC11钛合金在人造海水和纯净水中的往复滑动腐蚀磨损行为,采用扫描电子显微镜观察磨屑和磨痕表面形貌,用能谱仪测试微区元素分布,用非接触式表面形貌仪测定磨痕的三维表面形貌及其磨损体积损失,研究了载荷、滑动频率以及介质对TC11钛合金摩擦系数和磨损量的影响,并用动电位扫描法分析TC11在腐蚀磨损前后的电化学行为.结果表明:在2种介质中TC11钛合金的摩擦系数均随着载荷和滑动频率的增加而呈下降趋势,但随载荷变化的趋势更为缓慢;TC11钛合金在海水中形成的润滑膜可以明显降低摩擦系数,但其磨损量比水介质中高,说明腐蚀加速了磨损;磨损后的钝化膜更易被破坏,TC11钛合金在水中的磨损机制为磨粒磨损,而在海水中则为疲劳脱落并伴有磨粒磨损.     

不同固体润滑下人字闸门底枢摩擦特性的销盘试验研究

人字闸门底枢长期在水下的低速重载下运行,易出现由磨损导致的故障,为此,三峡五级船闸的闸门已采用油脂和固体润滑剂混合润滑方式以减少摩擦磨损. 为了研究石墨、二硫化钼和聚四氟乙烯固体粉末对底枢摩擦副材料(45钢和锡青铜)摩擦学性能的影响,以三峡人字闸门底枢为研究对象,依据计算结果设计销/盘配对副面结构,在MMW-1A立式万能摩擦磨损试验机上开展磨损试验研究,并结合表面三维形貌测试和铁谱测试对摩擦磨损结果进行分析,结果表明:在试验条件下,聚四氟乙烯的摩擦系数最小,石墨次之,二硫化钼的摩擦系数最大;磨损量从小到大依次为石墨、聚四氟乙烯和二硫化钼;石墨润滑条件下磨损形式仅为单一的黏着磨损,二硫化钼和聚四氟乙烯润滑条件下磨损形式为黏着磨损和疲劳磨损,且石墨润滑产生的磨粒粒径要小于二硫化钼和聚四氟乙烯润滑产生的磨粒粒径,综上认为石墨是三者中性质较优的固体润滑剂. 在此基础上开展了石墨润滑下的13 h连续磨损试验,得到其摩擦系数和磨损量的变化规律,为人字闸门底枢摩擦副的固体润滑设计提供理论依据.      

几种挖泥船耙齿材料的磨粒磨损性能研究

挖泥船耙齿材料的磨粒磨损性能值得深入研究．因此，在水润滑和无润滑条件下，利用ＭＬ－１００磨粒磨损试验机研究了不同成分和不同热处理工艺处理的耙齿材料的抗磨粒磨损性能与硬度及冲击性能的关系．结果表明，几种材料在水润滑条件下的磨损量都比在无润滑下的大，具有较高硬度和一次冲击韧性ＣＶＮ值的材料的抗磨粒磨损性能较好     

铸造铝青铜合金Cu-14Al-4Fe-Mn的摩擦磨损性能

用往复式摩擦磨损试验机考察了新型高强度、高耐磨性铸造铝青铜合金Cu-14Al-4Fe-Mn(代号HSWAB)的摩擦磨损性能,利用形貌扫描电子显微镜观察分析了合金磨损表面形貌,探讨了其磨损机理.结果表明,HSWAB合金在干摩擦和油润滑条件下的摩擦磨损性能及磨损机理存在明显差异.在干摩擦条件下,合金中脱落的硬质点及氧化物等磨粒导致较为严重的磨粒磨损,摩擦系数高、磨损率大,主要磨损机理为磨粒磨损、粘着磨损、氧化磨损及疲劳磨损.在油润滑条件下,摩擦系数和磨损率均显著降低,疲劳磨损和氧化磨损受到抑制,主要磨损机理为磨粒磨损和粘着磨损.Cu-14Al-4Fe-Mn合金在油润滑条件下的摩擦系数低达0.08,磨损率低达3.7×10-6g/m,是一种优良的耐磨材料.     

滚压诱导梯度超细晶铜的润滑微动磨损特性研究

通过滚柱对纯铜表面进行大载荷的多次滚压,使其表层累积不同应变水平的塑性变形,对所形成的约150μm的塑性变形层沿深度方向的晶粒形态和分布进行分析,并对其显微硬度进行测试,表明该工艺在纯铜表层诱导形成了一种梯度超细晶结构;最表层平均晶粒尺寸约为662 nm,并随深度逐渐增至基体晶粒尺寸94μm;梯度超细晶铜(简称梯度铜)最表层硬度较基体硬度提高约45%,并随深度逐渐下降至基体硬度.在SRV IV试验机上对梯度铜和粗晶铜在润滑条件下的微动磨损特性进行对比研究.结果表明:梯度铜摩擦系数先减小后增大,并在大载荷下与粗晶铜趋于一致;梯度铜的主要磨损形式为磨粒磨损,而粗晶铜为磨粒磨损和疲劳剥落,部分区域出现氧化磨损;梯度铜抗微动磨损能力比粗晶铜提高10倍以上.     

载荷对304不锈钢微动磨损性能的影响

采用SRV-IV微动摩擦磨损试验机,研究了在干摩擦和水介质润滑条件下,载荷对304不锈钢微动磨损行为的影响,用扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱(EDS)对磨损表面形貌和成分进行分析.结果显示:载荷和介质对微动摩擦行为和磨损机理有显著影响.在干摩擦下,载荷明显改变了微动运行区域,当载荷增大到50 N时微动运行区域由滑移区变为部分滑移区.摩擦系数和磨痕深度随着载荷的增加依次减小.磨损机理由黏着、磨粒和氧化磨损转变为局部疲劳和轻微氧化.同干摩擦相比,由于水介质的润滑和冷却作用,表面黏着被抑制,摩擦系数显著减小,两接触面间易滑移,部分滑移区消失.随载荷的增大磨痕深度增大,因腐蚀与磨损的交互作用,在海水中的磨痕深度比去离子水中略大.磨损机理主要为磨粒磨损和轻微的腐蚀磨损.     

几种铝锡硅铜合金的摩擦磨损特性

采用环－块摩擦磨损试验机，考察了含Ｓｉ质量分数为１％～５％的Ａｌ－２０Ｓｎ－Ｓｉ－１Ｃｕ合金及传统的Ａｌ－２０Ｓｎ－１Ｃｕ合金的摩擦磨损性能．结果表明：几种Ａｌ－２０Ｓｎ－Ｓｉ－１Ｃｕ合金的磨损率低于Ａｌ－２０Ｓｎ－１Ｃｕ合金的磨损率，并且随Ｓｉ含量的增加而降低．干摩擦时，摩擦因数随Ｓｉ含量的增加无明显变化；油润滑时摩擦因数则随Ｓｉ含量的增加而略微减小．两类合金的摩擦因数均随滑动速度的增加而减小，随摩擦时间的增加先增加后减小并趋于稳定．磨损表面的ＳＥＭ分析表明：Ａｌ－２０Ｓｎ－Ｓｉ－１Ｃｕ合金在干摩擦下的磨损机制主要是磨粒磨损和氧化磨损，而Ａｌ－２０Ｓｎ－１Ｃｕ合金则包括粘着、疲劳及磨粒磨损等多种形式．在油润滑下，两者的磨损机理则分别为犁削作用和疲劳磨损及分层磨损．     

Ni—W（D）合金电刷镀层的滑动磨损特性研究

研究了 Ni- W( D)合金刷镀层在不同载荷下的滑动磨损特性 ,用扫描电子显微镜观察试样磨损表面形貌 ,用铁谱仪和流体光谱仪分别分析磨屑的尺寸和成分 .结果表明 :在载荷 1 0 0～ 2 0 0 N下 ,Ni- W( D)合金镀层磨损表面主要呈现轻微擦伤迹象 ,刷镀层表现出优良的抗磨能力 ;在 30 0 N载荷下 ,由于镀层剥落而造成磨粒磨损 ,磨损率剧增     

微乳化生物质燃油的往复运动摩擦学特性研究

采用发动机活塞环-缸套摩擦磨损试验台,研究了微乳化生物质燃油在活塞环-缸套摩擦副往复运动过程中的摩擦磨损特性.借助扫描电子显微镜及附带的能谱、X射线光电子能谱仪等分析测试手段考察了磨痕表面形貌及元素组成与含量、主要元素化学状态,探讨了摩擦磨损机理.结果表明,在微乳化生物质燃油润滑条件下,活塞环-缸套之间的摩擦系数和它们的磨损量均随着往复运动频率增加而增大,微乳化生物质燃油减摩性较0^#柴油好,耐磨性比0^#柴油差;摩擦磨损的机理归于微乳化生物质燃油中的极性基团如羧基（—COOH）易于吸附在摩擦副表面起到边界润滑作用,而乳化燃油中酸性物质在摩擦过程中加大了对摩擦表面的腐蚀,同时摩擦表面形成的Fe₂O₃氧化膜在摩擦力作用下脱落并充当磨粒,从而使磨损加剧.     

天然牙和树脂牙体外三体磨粒磨损性能研究

以钛合金作摩擦偶件材料，在往复滑动摩擦磨损试验台上考察了年轻恒牙、老年恒牙以及树脂牙在三体磨粒磨损工况下的摩擦学性能，并与两体磨粒磨损工况下的结果进行了对比．结果表明：天然牙和树脂牙在不同磨损工况下的摩擦磨损行为存在显著差异；在三体磨粒磨损工况下，由于食物浆的润滑和应力分散作用，天然牙的摩擦系数和磨损深度明显比两体磨粒磨损工况下的小，磨损机制主要为擦伤，并伴随剥落I树脂牙的三体磨粒磨损比两体磨粒磨损剧烈，磨损表面呈现犁沟和剥落迹象．     

玻璃纤维增强MC尼龙复合材料的摩擦磨损性能研究

通过碱催化阴离子聚合反应制备玻璃纤维增强单体浇铸尼龙复合材料(GFMCPA),在MM-200型摩擦磨损试验机上研究了在干摩擦和水润滑条件下,不同玻璃纤维含量对尼龙复合材料摩擦磨损特性的影响,并借助扫描电子显微镜观察其磨损表面形貌.结果表明:玻璃纤维含量对尼龙复合材料的摩擦性能具有显著影响;玻璃纤维质量分数达到30%后复合材料具有较好的耐磨性;在水润滑条件下,复合材料的摩擦系数和磨损量较干摩擦时大幅度降低;玻璃纤维含量低的尼龙复合材料的磨损机制主要为粘着磨损和磨粒磨损;玻璃纤维含量高的尼龙复合材料的粘着磨损减少,磨损机制主要表现为磨粒磨损和疲劳磨损.     

乏油环境下橡胶密封材料在粗糙表面上的摩擦磨损行为研究

在UMT-3多功能摩擦磨损试验机上,以丁腈橡胶/Si C砂纸配副为研究对象,系统研究了乏油(包括润滑油和润滑脂)环境下橡胶密封材料在不同粗糙表面上的摩擦学特性,重点考察了乏油工况下橡胶/粗糙表面摩擦配副的摩擦系数时变性、减摩程度和减摩持久性,揭示了乏油工况下橡胶在粗糙表面上的损伤机制.结果表明:乏润滑剂工况下,润滑剂的减摩程度和减摩持久性强烈依赖于对偶件表面粗糙程度;随着对偶件表面粗糙度的降低,润滑剂的减摩程度呈先缓慢提高后迅速增强的变化趋势,然而减摩持久性先降低后又逐渐升高.同时,乏油工况下的减摩持久性均优于乏脂环境;在磨损机制上,随着对偶件表面粗糙度的降低,乏润滑剂环境下橡胶材料的表面均由伴随明显犁沟特征的严重磨粒磨损逐渐转变为损伤轻微的磨粒磨损.而在无润滑条件下,橡胶由典型的磨粒磨损机制损伤特征转变为花纹磨损形貌,最后又向黏着磨损机制转变.     

The three-dimension model for the rock-breaking mechanism of disc cutter and analysis of rock-breaking forces

To study the rock deformation with threedimensional model under rolling forces of disc cutter,by carrying out the circular-grooving test with disc cutter rollingaround on the rock,the rock mechanical behavior underrolling disc cutter is studied,the mechanical model of disccutter rolling around the groove is established,and the theory of single-point and double-angle variables is proposed.Based on this theory,the physics equations and geometricequations of rock mechanical behavior under disc cutters oftunnel boring machine(TBM) are studied,and then the balance equations of interactive forces between disc cutter androck are established.Accordingly,formulas about normalforce,rolling force and side force of a disc cutter are derived,and their validity is studied by tests.Therefore,a newmethod and theory is proposed to study rock-breaking mechanism of disc cutters.