提高盾構(gòu)機(jī)盤型滾刀在砂卵石地層施工中的使用壽命研究

1、城軌分公司城軌分公司 顧劍剛顧劍剛提高盾構(gòu)機(jī)盤型滾刀在砂卵石地層施工中的提高盾構(gòu)機(jī)盤型滾刀在砂卵石地層施工中的使用壽命研究使用壽命研究Page 2LOGO目錄目錄引言引言滾刀在砂卵地層施工的磨損分析滾刀在砂卵地層施工的磨損分析提高滾刀使用壽命的技術(shù)對(duì)策提高滾刀使用壽命的技術(shù)對(duì)策砂卵地層延長(zhǎng)滾刀使用壽命的維護(hù)措施砂卵地層延長(zhǎng)滾刀使用壽命的維護(hù)措施結(jié)束語結(jié)束語Page 3LOGO圖示圖示_03滾刀的類型滾刀的類型引言引言 在含有漂石的砂卵石地層，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時(shí)，其盤形滾刀的破巖機(jī)理與在硬巖地層中的破巖機(jī)理有著顯著的不同，刀具的磨損情況也有巨大的差異。 該類地層對(duì)傳統(tǒng)的刀具磨損十分嚴(yán)重，刀具消耗量大，

2、出現(xiàn)大量的滾刀偏磨（特別是邊緣滾刀）、刀圈斷裂等非正常破損現(xiàn)象。由此需要帶來頻繁的換刀或采取地層加固等相應(yīng)措施，換刀安全等一系列問題，導(dǎo)致施工成本增加。針對(duì)該地層的特點(diǎn)，如何選擇合適的盤形滾刀并做相應(yīng)的改進(jìn)研究，以提高盤形滾刀的使用壽命，是我們必須解決的技術(shù)難題。Page 4LOGO圖示圖示_03磨損分析磨損分析滾刀在砂卵地層施工的磨損分析滾刀在砂卵地層施工的磨損分析 滾刀在硬巖施工中，巖石在滾刀刀刃的壓力作用下，形成壓應(yīng)力區(qū)域。壓力超過巖石所能承受的應(yīng)力極限時(shí)，巖石產(chǎn)生爆裂，其裂隙向四周擴(kuò)散。當(dāng)兩個(gè)刀刃的距離（刀間距）達(dá)到適合的尺寸時(shí)，其間的巖石呈片狀剝離，這就是傳統(tǒng)的破巖機(jī)理。 在砂卵石地

3、層條件下，滾刀的破巖機(jī)理與硬巖破巖機(jī)理有很大的差異。它是利用刀盤高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的沖擊能量，通過滾刀對(duì)卵石、礫石和漂石的刀盤前方進(jìn)行“錘擊”破碎的。由于開挖面土石成分的不均勻分布，造成了整體抗壓強(qiáng)度不高，滾刀只是將卵石和漂石擊碎或擠碎，以及對(duì)土層的松動(dòng)，而不完全是對(duì)土層的破碎。滾刀的受力情況是不均勻的，因此它的磨損情況也有別于在硬巖地層中的磨損。相比而言，滾刀受到更多的刮削磨損和沖擊磨損。Page 5LOGO圖示圖示_03磨損的分類磨損的分類滾刀在砂卵地層施工的磨損分析滾刀在砂卵地層施工的磨損分析在整體松散的砂卵地層中掘進(jìn)，刀圈深深地貫入到巖層中，不但外圓（齒頂）接觸巖層受到磨損，刃口側(cè)面也受到極

4、大的磨損；刀圈受到磨損的同時(shí)，石英含量很高的砂和卵石也會(huì)直接作用于滾刀刀體表面，從而對(duì)刀體也產(chǎn)生嚴(yán)重磨損。 滾刀在此地質(zhì)條件下使用，除了正常的磨損外，還存在大量的非正常磨損，特別是邊緣滾刀，其主要表現(xiàn)為滾刀的偏磨、刀圈斷裂、刀體過度磨損等。刀刀圈圈斷斷裂裂刀刀體體變變形形滾滾刀刀的的偏偏磨磨磨損的主要表現(xiàn)磨損的主要表現(xiàn)Page 6LOGO圖示圖示_03磨損原因分析磨損原因分析滾刀在砂卵地層施工的磨損分析滾刀在砂卵地層施工的磨損分析滾滾刀刀的的偏偏磨磨 滾刀的偏磨主要是因?yàn)閱?dòng)扭矩過大。滾刀的偏磨主要是因?yàn)閱?dòng)扭矩過大。滾刀在該地質(zhì)中使用時(shí)，由于是在軟巖地層滾刀在該地質(zhì)中使用時(shí)，由于是在軟巖地層

5、中掘進(jìn)，卵石、礫石和漂石在基巖內(nèi)不能被中掘進(jìn)，卵石、礫石和漂石在基巖內(nèi)不能被固定，不能提供給滾刀足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和滾固定，不能提供給滾刀足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和滾刀切巖的支撐力，造成滾刀不轉(zhuǎn)，導(dǎo)致偏磨，刀切巖的支撐力，造成滾刀不轉(zhuǎn)，導(dǎo)致偏磨，其明顯特征為：刀圈其余部位幾乎沒有磨損，其明顯特征為：刀圈其余部位幾乎沒有磨損，刀體、端蓋無明顯受到撞擊和變形狀況，刀刀體、端蓋無明顯受到撞擊和變形狀況，刀圈無斷裂，刀具沒有漏油和進(jìn)泥現(xiàn)象。圈無斷裂，刀具沒有漏油和進(jìn)泥現(xiàn)象。Page 7LOGO圖示圖示_03磨損原因分析磨損原因分析滾刀在砂卵地層施工的磨損分析滾刀在砂卵地層施工的磨損分析刀刀體體變變形形 在整體松散的

6、砂卵地層，不但刀圈的磨損，在整體松散的砂卵地層，不但刀圈的磨損，而且刀體的表面也磨損嚴(yán)重，特別是在富含石英而且刀體的表面也磨損嚴(yán)重，特別是在富含石英的砂粒和堅(jiān)硬的鵝卵石，對(duì)刀圈和刀體都產(chǎn)生巨的砂粒和堅(jiān)硬的鵝卵石，對(duì)刀圈和刀體都產(chǎn)生巨大的磨損。而傳統(tǒng)的滾刀刀體材質(zhì)為大的磨損。而傳統(tǒng)的滾刀刀體材質(zhì)為42CrMo42CrMo，硬，硬度約為度約為HRC28HRC283232，不具備很高的抗磨性，當(dāng)?shù)?，不具備很高的抗磨性，?dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速為盤轉(zhuǎn)速為2 2轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/Min/Min時(shí)，對(duì)于直徑為時(shí)，對(duì)于直徑為6.28m6.28m的刀盤，的刀盤，邊緣滾刀的線速度約為邊緣滾刀的線速度約為0.65m/s0.65m/s，若撞

7、擊上漂石，若撞擊上漂石或大塊的鵝卵石則造成刀體變形，導(dǎo)致滾刀不轉(zhuǎn)，或大塊的鵝卵石則造成刀體變形，導(dǎo)致滾刀不轉(zhuǎn)，形成偏磨，其明顯特征為：刀圈已產(chǎn)生一定程度形成偏磨，其明顯特征為：刀圈已產(chǎn)生一定程度的均勻磨損，刀體則磨損嚴(yán)重并有明顯的受撞擊的均勻磨損，刀體則磨損嚴(yán)重并有明顯的受撞擊痕跡，刀體與端蓋之間卡死。痕跡，刀體與端蓋之間卡死。Page 8LOGO圖示圖示_03磨損原因分析磨損原因分析滾刀在砂卵地層施工的磨損分析滾刀在砂卵地層施工的磨損分析刀刀圈圈斷斷裂裂 傳統(tǒng)的硬巖滾刀刀圈，多采用材質(zhì)相當(dāng)于美傳統(tǒng)的硬巖滾刀刀圈，多采用材質(zhì)相當(dāng)于美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的牌號(hào)國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的牌號(hào)H13H13合金工具鋼，為了達(dá)到一定的

8、合金工具鋼，為了達(dá)到一定的耐磨性，常見的熱處理硬度為耐磨性，常見的熱處理硬度為HRC56HRC565858。如果。如果對(duì)材料的成分、鍛造工藝、熱處理工藝等質(zhì)量控對(duì)材料的成分、鍛造工藝、熱處理工藝等質(zhì)量控制出現(xiàn)偏差，容易造成刀圈的脆性增加，在大的制出現(xiàn)偏差，容易造成刀圈的脆性增加，在大的卵石和漂石的高速撞擊下，造成刀圈斷裂，特別卵石和漂石的高速撞擊下，造成刀圈斷裂，特別是刀圈經(jīng)磨損到一定程度后強(qiáng)度變?nèi)鯐r(shí)，更容易是刀圈經(jīng)磨損到一定程度后強(qiáng)度變?nèi)鯐r(shí)，更容易出現(xiàn)裂損現(xiàn)象。出現(xiàn)裂損現(xiàn)象。Page 9LOGO圖示圖示_03提高滾刀使用壽命的技術(shù)對(duì)策提高滾刀使用壽命的技術(shù)對(duì)策控控制制啟啟動(dòng)動(dòng)扭扭矩矩刀刀體體

9、加加厚厚刀刀圈圈改改進(jìn)進(jìn)技技 術(shù)術(shù) 對(duì)對(duì) 策策渣渣土土改改良良改改進(jìn)進(jìn)刀刀具具安安裝裝Page 10LOGO圖示圖示_03刀圈改進(jìn)刀圈改進(jìn)提高滾刀使用壽命的技術(shù)對(duì)策提高滾刀使用壽命的技術(shù)對(duì)策 根據(jù)滾刀在砂卵地層中與硬巖中破巖機(jī)理根據(jù)滾刀在砂卵地層中與硬巖中破巖機(jī)理的差異性，刀圈的截面尺寸和性能指標(biāo)應(yīng)作出的差異性，刀圈的截面尺寸和性能指標(biāo)應(yīng)作出相應(yīng)的改進(jìn)：相應(yīng)的改進(jìn)： 為了提高刀圈的耐磨性和使用壽命，將為了提高刀圈的耐磨性和使用壽命，將刀刃寬由刀刃寬由3/43/4吋增加到吋增加到28mm28mm或更大，同時(shí)提高其或更大，同時(shí)提高其抗沖擊能力，如圖抗沖擊能力，如圖1 1所示。所示。 由于砂卵地層中

10、石英含量高，其顯微硬由于砂卵地層中石英含量高，其顯微硬度高、磨耗性高，為了提高刀圈對(duì)付石英的抗度高、磨耗性高，為了提高刀圈對(duì)付石英的抗磨性，材料成分中適當(dāng)提高釩、鈮、鎢、鉬、磨性，材料成分中適當(dāng)提高釩、鈮、鎢、鉬、鎳、鉻等合金元素的含量，同時(shí)控制好鍛造工鎳、鉻等合金元素的含量，同時(shí)控制好鍛造工藝和熱處理工藝，以達(dá)到細(xì)化晶粒、提高其抗藝和熱處理工藝，以達(dá)到細(xì)化晶粒、提高其抗沖擊性能。沖擊性能。由于滾刀在砂卵地層中使用，受到的撞由于滾刀在砂卵地層中使用，受到的撞擊很大，因此不宜為了提高其耐磨性而片面的擊很大，因此不宜為了提高其耐磨性而片面的提高其硬度，必須兼顧其具備抗沖擊性的能力。提高其硬度，必須

11、兼顧其具備抗沖擊性的能力。圖圖1刀圈截面尺寸刀圈截面尺寸Page 11LOGO圖示圖示_03提高滾刀使用壽命的技術(shù)對(duì)策提高滾刀使用壽命的技術(shù)對(duì)策技術(shù)對(duì)策技術(shù)對(duì)策刀刀體體加加厚厚 由于刀體在砂礫石中使用，會(huì)受到嚴(yán)重磨損由于刀體在砂礫石中使用，會(huì)受到嚴(yán)重磨損和撞擊，故刀體應(yīng)具備較強(qiáng)的耐磨性和抗沖擊能和撞擊，故刀體應(yīng)具備較強(qiáng)的耐磨性和抗沖擊能力：力：刀體應(yīng)采取耐磨處理，如表面堆焊高性能刀體應(yīng)采取耐磨處理，如表面堆焊高性能耐磨材料、提高刀體的硬度（淬火至耐磨材料、提高刀體的硬度（淬火至HRC46HRC46以上，以上，或表面滲碳、碳氮共滲等處理）。或表面滲碳、碳氮共滲等處理）。 提高刀體的厚度和強(qiáng)度，以

12、便提高刀體的提高刀體的厚度和強(qiáng)度，以便提高刀體的抗沖擊變形能力。抗沖擊變形能力。Page 12LOGO圖示圖示_03提高滾刀使用壽命的技術(shù)對(duì)策提高滾刀使用壽命的技術(shù)對(duì)策技技 術(shù)術(shù) 對(duì)對(duì) 策策控控制制啟啟動(dòng)動(dòng)扭扭矩矩 嚴(yán)格控制好滾刀的啟動(dòng)扭矩，單刃滾刀不宜嚴(yán)格控制好滾刀的啟動(dòng)扭矩，單刃滾刀不宜超過超過25N.m25N.m。如果在特別松軟的地層，對(duì)于單刃。如果在特別松軟的地層，對(duì)于單刃滾刀，開挖面無法提供足夠的反力來克服啟動(dòng)滾刀，開挖面無法提供足夠的反力來克服啟動(dòng)扭矩和阻力扭矩，可適當(dāng)考慮采用雙刃滾刀，扭矩和阻力扭矩，可適當(dāng)考慮采用雙刃滾刀，以便提高轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。以便提高轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。Page 13LOG

13、O圖示圖示_03改進(jìn)刀具安裝改進(jìn)刀具安裝提高滾刀使用壽命的技術(shù)對(duì)策提高滾刀使用壽命的技術(shù)對(duì)策 對(duì)于海瑞克盾構(gòu)機(jī)，通常使用的滾刀規(guī)格對(duì)于海瑞克盾構(gòu)機(jī)，通常使用的滾刀規(guī)格為為1717吋（刀圈外徑吋（刀圈外徑431.8mm431.8mm），極限磨損量為：），極限磨損量為：正面滾刀約正面滾刀約252530mm30mm，邊緣滾刀約，邊緣滾刀約15mm15mm。為了。為了提高其使用壽命，可適當(dāng)增加極限磨損量，但提高其使用壽命，可適當(dāng)增加極限磨損量，但必須對(duì)滾刀的安裝做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，具體方案如必須對(duì)滾刀的安裝做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，具體方案如下：下：加大刀圈的外徑加大刀圈的外徑 若單純的加大刀圈的外徑將導(dǎo)致滾刀無法若單

14、純的加大刀圈的外徑將導(dǎo)致滾刀無法安裝入刀箱，必須對(duì)安裝滾刀的安裝入刀箱，必須對(duì)安裝滾刀的U U形塊尺寸進(jìn)行形塊尺寸進(jìn)行改造，如圖改造，如圖2 2所示，按此方案可將刀圈外徑加大所示，按此方案可將刀圈外徑加大至至448mm448mm。由此，極限磨損量為：正面滾刀由原。由此，極限磨損量為：正面滾刀由原來的來的25mm25mm增加至增加至33mm33mm，提高使用壽命約，提高使用壽命約1/31/3，邊，邊緣滾刀由原來的緣滾刀由原來的15mm15mm增加至增加至23mm23mm，提高使用壽，提高使用壽命命53%53%，經(jīng)過成都地鐵，經(jīng)過成都地鐵2 2號(hào)線的使用，效果非常號(hào)線的使用，效果非常顯著，只是略微

15、增加刀圈的成本。顯著，只是略微增加刀圈的成本。圖圖2加大刀圈外徑改裝加大刀圈外徑改裝Page 14LOGO圖示圖示_03改進(jìn)刀具安裝改進(jìn)刀具安裝提高滾刀使用壽命的技術(shù)對(duì)策提高滾刀使用壽命的技術(shù)對(duì)策 對(duì)于海瑞克盾構(gòu)機(jī)，通常使用的滾刀規(guī)格對(duì)于海瑞克盾構(gòu)機(jī)，通常使用的滾刀規(guī)格為為1717吋（刀圈外徑吋（刀圈外徑431.8mm431.8mm），極限磨損量為：），極限磨損量為：正面滾刀約正面滾刀約252530mm30mm，邊緣滾刀約，邊緣滾刀約15mm15mm。為了。為了提高其使用壽命，可適當(dāng)增加極限磨損量，但提高其使用壽命，可適當(dāng)增加極限磨損量，但必須對(duì)滾刀的安裝做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，具體方案如必須對(duì)滾刀的安

16、裝做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，具體方案如下：下：滾刀前突安裝滾刀前突安裝對(duì)對(duì)U U形塊尺寸進(jìn)行改進(jìn)，如圖形塊尺寸進(jìn)行改進(jìn)，如圖3 3所示，可根所示，可根據(jù)實(shí)際情況確定前突安裝量。以前突安裝據(jù)實(shí)際情況確定前突安裝量。以前突安裝10mm10mm為例，則極限磨損量為：正面滾刀由原來的為例，則極限磨損量為：正面滾刀由原來的25mm25mm增加至增加至35mm35mm，提高使用壽命，提高使用壽命40%40%，邊緣滾刀，邊緣滾刀由原來的由原來的15mm15mm增加至增加至25mm25mm，提高使用壽命，提高使用壽命67%67%，并且刀具的成本沒有任何的改變。并且刀具的成本沒有任何的改變。圖圖3滾刀前凸安裝滾刀前凸安裝P

17、age 15LOGO圖示圖示_03提高滾刀使用壽命的技術(shù)對(duì)策提高滾刀使用壽命的技術(shù)對(duì)策技技 術(shù)術(shù) 對(duì)對(duì) 策策渣渣土土改改良良對(duì)于土壓平衡式的盾構(gòu)施工，在土倉(cāng)中注對(duì)于土壓平衡式的盾構(gòu)施工，在土倉(cāng)中注入適量的泡沫劑和膨潤(rùn)土等，對(duì)渣土進(jìn)行改良，入適量的泡沫劑和膨潤(rùn)土等，對(duì)渣土進(jìn)行改良，可以有效地增加渣土的流動(dòng)性，減少渣土在刀可以有效地增加渣土的流動(dòng)性，減少渣土在刀箱里結(jié)塊，降低對(duì)刀具和刀盤的磨蝕。箱里結(jié)塊，降低對(duì)刀具和刀盤的磨蝕。 對(duì)于泥水平衡盾構(gòu)施工，控制好循環(huán)漿液對(duì)于泥水平衡盾構(gòu)施工，控制好循環(huán)漿液的成分配比，對(duì)降低刀具和刀盤的磨蝕十分重的成分配比，對(duì)降低刀具和刀盤的磨蝕十分重要。要。Page

18、16LOGO圖示圖示_03延長(zhǎng)滾刀使用壽命的維護(hù)措施延長(zhǎng)滾刀使用壽命的維護(hù)措施刀刀具具選選配配刀刀具具管管理理刀刀具具維維修修維維 護(hù)護(hù) 措措 施施Page 17LOGO圖示圖示_03刀具維修刀具維修延長(zhǎng)滾刀使用壽命的維護(hù)措施延長(zhǎng)滾刀使用壽命的維護(hù)措施 及時(shí)對(duì)可再利用的滾刀進(jìn)行及時(shí)對(duì)可再利用的滾刀進(jìn)行維修，可以提高刀具的利用率，減維修，可以提高刀具的利用率，減少刀具的庫(kù)存成本；還可以減少零少刀具的庫(kù)存成本；還可以減少零件的報(bào)廢（如漏油進(jìn)泥的滾刀，不件的報(bào)廢（如漏油進(jìn)泥的滾刀，不及時(shí)維修會(huì)造成軸承銹蝕而報(bào)廢）。及時(shí)維修會(huì)造成軸承銹蝕而報(bào)廢）。 對(duì)于能修復(fù)再使用的零件盡對(duì)于能修復(fù)再使用的零件盡量修

19、復(fù)，并對(duì)其改善性能，更適合量修復(fù)，并對(duì)其改善性能，更適合使用要求。如圖使用要求。如圖4 4為未經(jīng)耐磨處理的為未經(jīng)耐磨處理的刀體使用一次后嚴(yán)重磨損，圖刀體使用一次后嚴(yán)重磨損，圖5 5為經(jīng)為經(jīng)堆焊耐磨層修復(fù)后，可繼續(xù)使用堆焊耐磨層修復(fù)后，可繼續(xù)使用3 35 5次，大大降低使用成本，提高壽命。次，大大降低使用成本，提高壽命。圖圖4滾刀刀體修復(fù)前滾刀刀體修復(fù)前圖圖5滾刀刀體修復(fù)后滾刀刀體修復(fù)后Page 18LOGO圖示圖示_03延長(zhǎng)滾刀使用壽命的維護(hù)措施延長(zhǎng)滾刀使用壽命的維護(hù)措施維維 護(hù)護(hù) 措措 施施刀刀具具管管理理完善刀具的管理體系，對(duì)每把滾刀編號(hào)登完善刀具的管理體系，對(duì)每把滾刀編號(hào)登記，記錄每次使

20、用的掘進(jìn)里程、地質(zhì)情況、裝記，記錄每次使用的掘進(jìn)里程、地質(zhì)情況、裝在刀盤的位置、磨損情況（磨損量、有無偏磨在刀盤的位置、磨損情況（磨損量、有無偏磨和漏油、有無受到撞擊、啟動(dòng)扭矩變化等）、和漏油、有無受到撞擊、啟動(dòng)扭矩變化等）、維修更換的零件、掘進(jìn)參數(shù)、渣土改良情況等，維修更換的零件、掘進(jìn)參數(shù)、渣土改良情況等，通過對(duì)其磨損情況和各種參數(shù)的分析，可以獲通過對(duì)其磨損情況和各種參數(shù)的分析，可以獲得很多有用的信息，便于改善滾刀的使用。得很多有用的信息，便于改善滾刀的使用。Page 19LOGO圖示圖示_03延長(zhǎng)滾刀使用壽命的維護(hù)措施延長(zhǎng)滾刀使用壽命的維護(hù)措施維維 護(hù)護(hù) 措措 施施刀刀具具選選配配對(duì)于整個(gè)刀盤上的滾刀，邊緣滾刀的行程軌跡最長(zhǎng)、對(duì)于整個(gè)刀盤上的滾刀，邊緣滾刀的行程軌跡最長(zhǎng)、線速度最高，受到的沖擊力最大，磨損最嚴(yán)重。因此，最線速度最高，受到的沖擊力最大，磨損最嚴(yán)重。因此，最長(zhǎng)的換刀里程取