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1、复合式盾构机刀具磨损的分析,1 概述土压平衡盾构机的刀盘根据地质条件的不同一般分软土和硬岩两种刀盘布置形式,软土区刀盘的布置形式是以齿刀为主辅以边缘滚刀和刮刀，硬岩刀盘的布置形式是以滚刀为主辅以刮刀。刀具是盾构机的一个非常重要的组成部分，对刀具地合理选择、使用 、维护和更换，直接决定盾构掘进工程的质量、进度和工程成本。所以对盾构机刀具磨损情况地分析尤为必要。,2 刀具的结构和切削机理2.1 刮刀刮刀用来切削各种砂土、粘土等较松散的地层及全风化岩层等其它未固结的土体，刮刀上装有碳化钨刀刃，目的是为了更好的防止掘进过程中产生的磨损。2.2 齿刀用来先行松散各种砂砾层、粘土层及全风化层，使其固结性能
2、变差，然后由刮刀将其刮掉。2.3 滚刀滚刀在推力的作用下贯入岩层，同时在开挖面岩石阻力的作用下随刀盘做同心圆滚动，岩石被挤压，形成挤压切槽，并在小半径范围内将挤压裂纹延伸到周围的岩石，最终在刀盘推力作用下挤压切槽两边的岩石呈片状破碎。,滚刀于对各种强、中、微风化岩进行挤压破碎，滚刀安装在刀盘的刀座上，这些刀座也可以安装焊接在特殊支架上的齿刀。滚刀设计最大破岩能力为80Mpa，广州地铁三号线客大区间岩石的最大单轴抗压强度为62.3Mpa。2.4 边缘刮刀用来校准盾构的开挖直径。2.5 超挖刀用于盾构曲线施工时的超挖及盾构姿态的调整，由液压油缸操纵伸缩，其行程 为0 100mm(各级分别为6260
3、62806300632063406360)。3 不同地质条件刀具的选择,3.1 刀盘布局盾构机刀盘分为三个区域：中心区、正面区和边缘区。,3.1.1 中心区该区是刀盘布局的关键，既要考虑对砂土、粘土和较为破碎岩层的开挖和出土的适应性，又要兼顾到整个区间围岩的强度，因此该区采用齿刀和滚刀可以互换的方案，刀座设计成既可以安装齿刀，又可以安装滚刀，而且设计成背装式，即可以在刀盘后面对刀具进行更换。该区布置有6把双刃滚刀（或6把双刃齿刀），硬岩用滚刀，软土用齿刀。6把双刃滚刀的刀间距为180mm.。3.1.2 正面区该区采用刮刀与双刃滚刀（或单刃齿刀）组合的布局方式，共设64把刮刀和8把双刃滚刀（或单
4、刃齿刀），刮刀在刀盘的四个方向分两列布置，其宽度使得每把刀的切割轨迹有所重叠，可使开挖土体清除干净。滚刀安装高度超刮刀高度35mm，双刃滚刀和单刃齿刀可以互换，硬岩用滚刀，软土用齿刀。,3.1.3 边缘区该区设置了5把双刃滚刀、8把边缘刮刀和1把超挖刀。双刃滚刀用于对该区围岩的破坏，边缘刮刀用来校准洞径的尺寸，超挖刀则是用于盾构曲线施工和盾构姿态调整。在开挖时，刀盘边缘的线速度较高，磨损快，故而配置了8把边缘刮刀、5把双刃滚刀，且滚刀也因为刀盘在旋转时相对于中心区和正面区而言，滚动范围大，因而刀具布置较密，刀间距较中心区刀间距小，刀间距为100mm。该5把滚刀一般不因地质情况的变化而更换，硬岩
5、和软土都采用。3.2 软土区刀具布置刮刀64把、双刃齿刀6把、单刃齿刀8把、双刃滚刀5把、边缘刮刀8把和超挖刀1把。,4 双刃滚刀刀具的磨损及原因：4.1 正常磨损刀具的正常磨损是指刀圈的磨损量超过了规定值，磨损量可用专用的量具进行测量。,4.2 刀圈偏磨如果滚刀在掘进工作面不转动，由于刀圈和掘进工作面的相对运动就会形成刀圈的偏磨。由于中心区滚刀线速度较小，承受载荷较大，中心区滚刀容易出现此现象。,4.3 刀圈断裂推力过大或刀圈在比较硬的岩石上滚动就有可能使刀圈断裂，若一个刀圈有两处断裂，断裂的部分刀圈就有可能掉到土舱。边缘滚刀和正面区滚刀经常有此现象。,4.4 表面缺陷如果有金属或其它坚硬物
6、损坏了刀圈的局部表面，刀圈局部表面就会形成表面缺陷。4.5 环幅式磨损如果刀圈的工作面和掘进工作面充分接触摩擦，就会形成环幅式磨损。,4.6 刀圈挡圈磨损或脱落挡圈是由两个半圆的钢环安装在滚刀轴的卡槽里焊接成一个完整的圆环，其作用是防止刀圈从滚刀轴上脱落，一旦刀圈挡圈脱落或焊接处磨损严重，就应该更换刀具。4.7 滚刀漏油由于密封件的损坏，就可能使密封油泄漏，从而导致油封座和轮毂的损坏。,4.9 轮毂磨损刀盘和渣土不间断的摩擦，使得滚刀轮毂也发生严重磨损4.10 油封座损坏由于漏油使得油封座损坏4.11 轮毂或油封座损坏刀圈如果在金属物（掉了的刀圈或螺帽）上滚动，轮毂或油封座有可能被卡住，就会妨
7、碍刀圈绕着滚刀中心轴自由转动。,4.12 滚刀的多边形磨损在掘进时滚刀时转时不转，或者在某个点转动时间长在其它点转动时间短，就会产生这样的磨损。,5 齿刀、正面区刮刀和边缘区刮刀的磨损及原因5.1 齿刀磨损正常磨损：齿刀切削土层和砂砾层所形成的磨损。异常磨损：由于换刀不及时在硬岩区的磨损。5.2 正面区刮刀磨损正常磨损：刮刀刮削土层、砂砾层和被滚刀挤碎的岩层时所形成的磨损。异常磨损：由于滚刀刀圈掉落，在刀盘同一圆周上的刮刀就直接承受掘进工作面的载荷，刮刀和掘进工作面的相对摩擦，就导致刮刀严重偏磨。,5.3 边缘区刮刀正常磨损： 刮削土层、砂砾层和边缘滚刀挤压后的岩层时所形成的磨损。异常磨损：由
8、于边缘滚刀刀圈掉落或者边缘滚刀磨损量严重超限，边缘滚刀开挖掘进工作面的径向尺寸小于边缘刮刀的径向尺寸，边缘刮刀被迫直接挤压在掘进工作面上运动，导致刀具磨损。,6 预防刀具异常磨损的措施6.1 择择合理的掘进参数掘进参数包括掘进推力、刀盘转速、扭矩、推进速度、切削量等，影响刀具磨损的最直接参数是掘进推力，推力的大小直接决定了刀具所承受的载荷。推力过大，虽然短期内掘进速度很快，但长时间刀盘刀具所承受的载荷也比较大，过大的载荷会使滚刀轴承受挤压产生变形，继而影响滚刀的自转最终造成滚刀刀圈的偏磨或断裂。一般在岩石中风化带岩石微风化带地层最大的推力不要超过1000ton。刀盘转速也是影响刀具磨损的另一个
9、主要因素，过大的刀盘转速在硬岩地层会造成盾构机振动颠簸，加剧刀具的磨损。一般在硬岩地层刀盘转速设置为1。5rpm为合适值。,6.2 根据不同的地层选择不同的刀具根据地质资料和对出土情况的判断来确定刀具的更换，特别是两种地层的交界处。从岩石强风化带向岩石中风化带岩石微风化带地层转换,如不能及时将齿刀更换为滚刀，就会很快加剧齿刀地磨损；从硬岩地层向软土地层转换，如不及时将滚刀换回齿刀，也有可能出现滚刀偏磨的现象。6.3 定期对刀具进行检查在硬岩区地层中，如果出现推力过大推进速度小扭矩也偏小，盾构机姿态纠正很难的现象时，就要考虑刀具是否磨损严重，安排开舱检查刀具。如果连续出现刀盘或螺旋输送机被卡住、
10、驱动电机熄火的现象时，应立即停机进行检查。,一般要在不超过二十环时对刀具进行一次检查，检查看是否有刀圈磨损超限、刀圈断裂、刀圈变形、固定刀圈的螺帽是否松动或掉落、刀座是否有裂纹等，如果一旦发现应立即采取补救措施。软土区在掘进100环时要对刀具进行一次检查。6.4 盾构机姿态应保持正常姿态在硬岩地层如果不断的调整盾构机姿态就会使滚刀受力不均匀，在某个方向上过大的推力有可能导致滚刀变形。在硬岩地层绝不可只片面追求进度，应该在保证刀盘和刀具不被严重磨损的前提下安排生产进度，必要时应该进行限产。为了一时的进度而忽视刀具的例行检查是得不偿失的。更换刀圈后的刀具要进行扭矩试验，根据不同的地质条件和岩石强度
11、进行扭矩调整。在硬岩地层注意观察螺旋输送机出渣情况，如果出渣不是均匀的碎片石，而是伴有大块的石头出现，就可能有滚刀刀圈掉落，要立即停机检查。,7 刀具磨损量检查及更换原则7.1 在硬岩区，边缘滚刀磨损量推荐值为1015mm，正面区为15mm20mm，中心区为25mm。刀具正常磨损量超过规定值就应进行更换，如果有条件最好整盘刀具全部更换；7.2 检查中如发现个别刀具有异常磨损或损坏，应优先将原来换下的没有超过规定磨损量且已经进行过维护的旧刀具换上，而不要换上新刀具。7.3 一定要确保整个刀盘所换刀具的磨损量尽可能达到最大值，使得刀具能够掘进尽可能多的环数。地层正面区双刃滚刀正常磨损情况下可掘进1
12、00环左右。7.4 刀具要勤检查，少更换；更要避免长时间停机换刀。,8 刀具的维护和修复8.1 边缘滚刀（正面滚刀）的维护和修复根据更换的边缘滚刀（正面滚刀）的磨损情况和使用记录，来确定滚刀的维护和修复方案。如果刀圈磨损量没有超过25mm，可先检查滚刀密封油是否足够，如密封油不够就应添加；用锯条将滚刀端盖和轴承缝之间的碎石泥土清理干净并检查油封及油封座是否完好，如有损坏应换新或修复。如刀圈磨损量超过25mm，就应割掉刀圈，重新换上新刀圈；同时也要检查密封油、油封和油封座，并根据检查情况进行维护。8.2 中心区滚刀的维护和修复中心区滚刀修复的方法和边缘滚刀基本相同，由于其结构和边缘区滚刀结构不同
13、，其工艺程序比较复杂。,8.3 正面区刮刀和边缘刮刀的维护和修复正面区刮刀磨损量不大可采用在其旧刀的基础上堆焊耐磨焊丝和“嫁接”旧的刮刀等方法进行修复；如磨损量过大可换新刀，国内有替代品。边缘刮刀磨损量不大可采用在其旧刀基础上堆焊耐磨焊丝的方法；磨损量过大换新刀。8.4 齿刀的维护和修复一般正常使用齿刀磨损量不大。由于齿刀构造比较复杂，如果一旦磨损采 用在磨损的刀座上涂焊耐磨焊丝的方法效果也比较好；如果磨损量比较大，就只能换新。,9 关于刀具国产化的几点建议由于刀具是易损件，消耗量大，如果只是依靠进口刀具不仅供货期长，而且成本高，所以使用国产刀具势在必行。国内最近几年也有些公司着手开发盾构机刀
14、具，象洛阳九九公司生产的滚刀刀圈完全能满足一般地质条件的盾构掘进。不足的是我们现在只能是简单的更换滚刀刀圈，由于资料的缺乏、试验设备的落后和对刀具研究的不深入，对于更换刀圈后重新组装的滚刀刀具，其扭矩调整还不能够进行调试（国外公司可以做到根据不同地质条件的强度来调整每把滚刀的扭矩）；滚刀密封件质量不高；中心滚刀支架、齿刀和边缘刮刀国内尚无人问津开发等直接影响着盾构机刀具国产化的推广应用，这些都需要我们进一步的探讨研究。,10 结论总之，只要我们严格按照盾构机操作规程进行操作，科学客观地加强对盾构机刀具使用、检查和维护的管理力度，减少刀具不必要的异常磨损和损坏，潜心研究大力推广盾构机刀具国产化的应用，刀具磨损和损坏给盾构掘进造成的成本增加就会大大降低，盾构工程就会有更大的利润空间可挖掘。,
