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1、盾构机寿命北京固本科技有限公司胡建平在工程砂卵石层进行盾构施工，其中最重要的是要保持掘进面的稳定和延长 盾构机使用寿命。本研究项目收集各方面资料，并根据本人已经参与的工程研 究在砂卵石层施工时盾构机刀盘的设计要点，保持掘进面稳定的方法，以及根据 施工刀具的使用性能和磨损规律，结合刀具的受力情况和金相分析，总结刀具的 失效原因，然后研制出延长盾构机寿命。1盾构机施工过程中刀具磨损的原因分析我们知道，盾构机掘进在破岩过程中，刀具承受了很大的径向力与侧向力，使得刀圈刃尖因 剧烈摩擦和冲击急剧磨损而降低使用寿命，为此必须经常进行检查更换，经统计红花套、黄 石盾构机隧道检查刀具与换刀时间，分别 占隧道工
2、程掘进时间的19. 5%, 22%，费用成 本占有18%23%,不但增加人财物的消耗量和刀具更换的工作量，降低了有效工作时间, 增加了施工风险，还直接导致单位掘进成本的提高。1. 1盾构机刀具的种类与用途我们将以AVN2440DS盾构机进行探讨，AVN2440DS盾构机刀盘上装有一组刀具，其中 由7个单滚刀、6个双滚刀、5个中心滚刀，4组刮刀24把组成。刮刀：刮刀适用于软土 及一些混有或交替夹有软岩的地质，其切削方式是通过对土体铲切实现对掘进面开挖，刮 刀切削土层与软岩层更容易。盘形滚刀：盘形滚刀通过刀盘转动，滚刀在盾构机推进力的作 用下，通过刀具对掘进面岩体转动挤压，对岩石表面挤切一个槽，同
3、时在剪切力的作用下造 成岩石开裂破碎。1. 2刀具磨损的影响因素在盾构机推进力作用下刀具对开挖面土体产生一定压力。随着刀盘的旋转，刀具与土砂磨料 摩擦，从而产生磨损。刀具的磨损与地质条件、刀具材质及其在刀盘上的安装位置有关，并 且随着刀具掘削里程的增加而增大。布置在刀盘周边的刀具由于线速度大，切削路线长，因 而磨损快、易折断、寿命短。刀具损坏的主要形式有刀具的磨耗和脱落。刀具的磨耗受材质、 硬度、作用的推力以及地质条件和刀具切人深度、速度、时间的影响；刀具脱落主要与安装 方法有关，施工时也受刀柄的磨耗和砾石、障碍物的影响。盾构机在掘进中会遇到各种不同 地层，从淤泥、黏土、砂层、砂卵石层到软岩及
4、硬岩等。开挖过程中刀具受力复杂，工作 环境恶劣。刀具的磨损与施工地层密切相关。淤泥质黏土、粉质黏土、粘质粉土等地层对刀 具的磨损很小，而砂土、砂卵石砾石地层对刀具的磨损十分严重，甚至使刀具折断。这种情 况在已经施工的工程中得到了印证。1. 2. 1刀圈断裂刀圈选用材质与地质岩性不适用，当岩石抗压强度较高时，对刀圈的自身硬度要求也较高， 刀圈抗冲击性能也随之下降，将造成刀圈断裂，称为冲击疲劳断裂。同时配合间隙过盈量超 过规定值时，在掘进中因刀具内外温度相差较大，将会造成刀圈断裂，称为内应力断裂。在 掘进过程中刀具冷却效果不好,特别是在淤泥、黏土地质或岩石断裂带夹层造成刀具被包裹， 将会造成刀圈断
5、裂，称为内应力断裂。1. 2. 2轴承损坏与刀圈偏磨刀具密封效果差，包括有密封配合间隙、橡胶弹力与硬度、机械密封平面度、机械密封面硬 度与耐磨性能等，泥砂进入刀具内部造成轴承损坏后，刀圈产生偏磨；润滑脂热膨胀系数 超过规定，在刀具受热时密封油脂外溢，冷却降温时泥水进入刀具轴承内，或是装配时内部 空气没有排尽，造成轴承损坏后刀圈偏磨；刀具转动部件装配间隙不合理，刀圈转动扭矩 超过规定值时，轴承加速磨损而损坏；转动扭矩低于规定值时，造成密封与密封面之间自由 间隙过大，密封失效，泥水进入，造成轴承损坏后刀圈偏磨。1. 2. 3滚刀壳体变形磨损刀具壳体表面硬度低于基岩抗压强度，破碎后的岩石、砂砾石对刀
6、具壳体长时间冲击，造成 壳体变形损坏；刮刀基材或表面硬度低于基岩抗压强度，破碎后的岩石、砂砾石对刀具壳体 长时间冲击，造成壳体变形损坏；采用压人式装配时，装配过盈量未达到规定要求，在受到 交变冲击时松动后脱落；采用焊接时，刀齿与基体焊接出现虚焊、夹渣，造成焊接不牢固, 在受到交变冲击时松动后脱落。1. 2. 4刮刀合金齿脱落合金齿硬度与抗冲击性能，与掘进地质岩性不相适应，合金齿硬度偏高而抗冲击性差，在 受到冲击时易造成合金齿断裂;在安装时螺栓扭矩未达到额定扭矩，造成螺栓松动最后断裂， 刀具脱落；滚刀总成脱落后或较大较硬的岩石块对刮刀撞击，造成螺栓断裂后刀具脱落。2延长盾构机寿命的措施2. 1严
7、格刀具制造流程刀具生产加工必须制定一套科学合理的制造工艺，刀具制造工艺是控制刀具质量的关键。2. 1. 1滚刀的制造盾构机滚刀完全按照掘进地质选用碳钢经表面渗碳处理，刀圈采用热煅一次滚压成型工艺, 使刀具材料内部金相组织结构更加均匀致密，减少刀圈的断裂，同时在表面形成一定厚度 的硬化层，具有高耐磨、抗冲击性能。选用优质热膨胀系数小的润滑油脂，同时在刀具内部 安装有润滑油补偿装置，在一定温度变化范围内确保刀具的正常润滑与油脂的补充。经使用 对比效果显著。由于滚刀在掘进过程中承受比岩石层抗压强度高8MPa12MPa,当岩石硬 度超过60MPa时，刀圈硬度HRC6570，如果刀圈采用合金材料制造时，
8、其内外硬度是 一致的，具有较好的耐磨性，但抗冲击性能明显下降，不利于TBM的破岩。根据经验总 结及材料机理分析，当岩石抗压强度达到或超过55MPa时，刀具材料应选用高碳钢，表面 采用高温气体渗碳达到相对硬度，形成外硬内软，具有较好耐磨性、抗冲击性能，而不适于 选用合金钢作为刀圈制造材料或刀圈采用中碳钢表面镶嵌合金齿，以满足破岩性能的要求。2. 1. 2刮刀的制造根据进口刮刀在使用中易造成变形，通过物化性能分析，刮刀基材为45中碳钢或20低碳 钢加工而成，表面硬度HRC2228，未作任何表面处理，因此在受到岩石或卵石冲击时 极易产生变形。在国产刮刀生产时，做了以下制造工艺调整：材料由原来的低碳钢
9、改为中碳 钢，基材表面硬度HRC3236；在冲击面与棱角部位补焊0. 25-0. 32耐磨合金层。2. 2合理选择刀具不同地质应选用不同材质、生产工艺的刀具，如果同一种刀具用于不同地质，刀具的使用 寿命将会受到严重影响；在软地层掘进中要求刀具具有较好的抗磨性、硬度比岩石抗压强度 高10MPa15MPa；在硬岩掘进中，要求刀具有良好的耐磨性、抗冲击性。2. 3严格刀具加工与密封刀具生产加工工艺对刀具使用寿命的影响，煅造与热处理工艺的影响最为重要，生产过程中 工艺控制将直接造成金属材质的内部缺陷，在刀具受到冲击、振动、压力的作用下，内部 缺陷将形成微小裂纹而不断延伸与扩展，最终造成断裂，控制好刀具
10、生产工艺可以显著的 提高刀具的寿命。同时刀具密封是影响刀具使用寿命的主要原因之一，由于密封的早期损 坏，造成刀具轴承损坏与刀圈偏磨、壳体损坏及整个刀具总成的报废，选择正确的密封形 式是保证滚刀寿命的一个重要因素。总之，盾构机施工在我国还处于刚刚起步阶段，随着经济的发展，会有越来越多的穿越工程选择盾构机形式，不管在何种形式的盾构机施工中，刀 具研究技术一直是盾构机应用的关键因素。3延长盾构机寿命材料使用方案从盾构机刀具磨损情况来看，由于刀具本体基本完好，大部分刀具磨损在容许范围内，剩 余刀刃高度能够满足右线掘进任务，没有必要更换整个刀盘或者是全部刀具，只需要对磨损 的刀盘本体和刀具进行焊接修复和
11、更换，即可保证盾构机正常进行下阶段的掘进施工。盾构 修复的原则是保证修复后的刀具本体性能不低于原设计制造的水平，保证更换的刀具与出 厂配备的刀具性能相匹配。为此，在深入分析和研究之后，决定采用北京固本耐磨焊丝（焊 丝样品图3）堆焊修复具体盾构机修复方案：1对盾构刀具本体外缘侧板环面，采用埋弧堆焊的方式，首先填平一圈凹槽，然后堆焊整个 侧板环面，在环面上形成一圈耐磨层，使得刀具本体直径恢复到出厂时的6240 mm。2刀具外周边缘的倒角磨损采用加焊一圈耐磨钢板的方式对其进行恢复补强。钢圈外径为 6240 mm，内径5920 mm，厚度30 mm。钢圈面与刀盘本体面平齐，钢圈与刀具本体焊接采用 二氧
12、化碳保护焊，用埋弧堆焊把钢圈与刀具面板之间的缝隙和钢圈与刀具外缘侧板环面之 间的凹槽填平。钢圈表面采用二氧化碳保护焊堆焊栅格状的耐磨堆焊层。【图3】3延长盾构机寿命焊丝材料参数:焊丝直径1.6mm焊接电流240-280A焊接电压26-31V保护气体纯二氧化碳熔敷金属化学成分:碳C锰Mn硅Si铌Nb钨V其他1%1.2%0.8%7%5%3%4、结束语本次修复延长盾构机寿命采用北京固本耐磨焊丝，制定合理的堆焊盾构修复 工艺，恢复盾构机原有外型尺寸，有效减少非正常磨损，保证后续正常的施工质 量和进度。投稿日期：2011年10月22日作者介绍：胡建平，1哭年生，北京固本科技有限公司，工学硕士学历，主要从事耐磨堆焊方面的研究工作。联系电话：134S8706964邮箱：hjp ko ob 通信地址：北京诲淀区中关村南大街g号理工科技大厦邮编：100081
