盾构机刀具选型及维护

盾构机刀具选型及维护洛阳九久技术开发有限公司晁焕清2010.3概述•盾构机刀具是盾构机破岩掘进的关键部件，在掘进中容易损坏，要经常更换。其使用寿命的长短不仅与刀具制造质量有关，还与刀具的正确选用和维护有关，因此，刀具的选用和维护直接影响到盾构工程施工的安全性、可靠性和经济性，正确的选用和维护，往往能起到事半功倍的效果。1、盾构机刀具的分类•目前使用的刀具一般分为两大类:刮削刀具、滚动刀具刮削刀具(刮刀、割刀)•刮削刀具是指只随刀盘转动而没有自转的破岩刀具.•刮削刀具的种类繁多，目前盾构掘进机上常用的刮削刀具类有边刮刀、刮刀、齿刀、先行刀、贝壳刀、鱼尾刀等滚动刀具(滚刀)•滚动刀具是指不仅随刀盘转动，还同时作自转运动的破岩刀具。根据刀刃的形状滚刀可分为：齿形滚刀（钢齿和球齿）、盘形滚刀（钢刀圈滚刀和球齿刀圈滚刀）•根据安装位置滚刀可分为：正滚刀、中心滚刀、边滚刀、扩孔滚刀。盾构掘进机滚刀主要是盘形滚刀，盘形滚刀又有单刃、双刃和多刃。根据刀刃外径的大小，又分成13、15、17、19等规格，目前主要是17系列。2、刀具的结构、材料和工作原理•2.1盘型滚刀•滚刀结构如图所示。它们主要由刀圈、刀体(套)、刀轴、轴承、金属浮动密封环、刀盖(座)及联接螺栓等件组成。滚刀的内部结构滚刀的内部结构是保证滚刀工作时正常旋转的关键，通常是由轴承、密封、润滑油脂组成。•刀具安装结构安装结构是为了把滚刀即方便又可靠的安装在刀盘上。常用的安装形式如下：•刀具刀圈结构形状刀圈是用来破岩的，通常有齿形和盘形两大类，每一类往往又有多种不同的刀刃形状。如下图.•刀圈的材料•根据刀圈的工作条件，刀圈材料应满足以下性能：1)高的屈服强度，避免刀刃端在高应力下压溃变形；2)足够高的硬度，增加耐磨性，减少刀圈磨损；3)良好的冲击韧性，提高材料裂纹扩展功，防止刀圈断裂；4)良好的抗回火性能，提高材料的热稳定性，保证刀圈在热装和滚压岩体过程中不降低硬度。5)良好的热加工和冷加工的工艺性能，材料成本低，制造方便，提高产品合格率。目前的滚刀刀圈有两大类：整体耐磨钢材料和镶有硬质合金球齿的刀具材料。•盘形滚刀工作原理滚刀在推力和和滚动力（转矩）的作用下，推力使刀圈压入岩体，滚动力使刀圈滚压岩体。通过滚刀对岩体的挤压和剪切使岩体发生破碎，在岩面上切出一系列的同心圆（见图）。•2.2刮刀刮刀是由刀座、刀体和刀刃三部分组成的，刀座是与刀盘连接的部分，与刀盘的连接有焊接如先行刀、螺栓连接如边刮刀、插销接如正面刮刀，替换滚刀部位的齿刀或切刀与滚刀的安装方式相同。•刀座有的是与刀体成一体的，有的是与刀体焊接的。与刀体焊接的刀座材料一般是低碳低合金钢。•刀体对硬质合金刀刃起支撑和保护作用，要有足够的强度和耐磨性。常常采用表面硬化技术或局部堆焊耐磨层。•刮刀刃是刮刀刮削岩土和保护刀体不被磨损的关键部位，通常是用硬质合金做成的。其大小和形状根据部位、作用、地层设计。•刀刃与刀体的的连接是关键，具体工艺有钎焊、镶嵌和镶嵌焊。钎焊时，焊料和焊接方法、工艺是很关键的，焊料有铜基和银基两大类，焊接方法有高频焊和真空焊等。•刮削类刀具的工作原理在推力的作用下，刮刀嵌如岩渣或岩层中，刀盘带动刀具转动时刮削岩层，在掌子面形成一环环犁沟，特点是效率高，刀盘转动阻力大。在软土地层或滚刀破碎后的渣土通过刮刀进行开挖，渣土随刮刀正面进入渣槽。3、刀具的应用及其适应性•3.1刀具选用注意事项•1）安全、可靠，保证盾构施工顺利进行；•2）经济、适用，能降低工程成本；•3）通用性、方便更换，能减轻劳动强度；•4）要正确认识刀具是易损件，适用范围有限。•3.2根据地层选择刀盘刀具•地层不同,刀盘的结构及其刀具的组合布置、刀具性能的要求也不同。根据地层一般把刀盘分为三类：刮刀刀盘、滚刀刀盘和复合刀盘•刮刀刀盘切削型刀具适用于未固结成岩的软土地层和某些全风化或强风化的软岩地层，一般破岩能力在单轴抗压强度20Mpa以下。对于如上海地区、天津、西安、郑州等均一的软土地层，通常只使用刮刀类刀具就可以了。这类刀盘结构相对简单，通常称为辐条式刀盘或软土刀盘。•滚刀类刀盘盘形滚刀适用于硬岩地层，对于均一的全断面硬岩地层通常只用滚刀（配以刮板），铁路、公路隧道、引水工程隧道常常是这类地层。作成的刀盘通常称为硬岩刀盘或TBM刀盘，目前主要是17〞盘型滚刀。如秦岭铁路隧道施工的TBM刀盘。•复合型刀盘在盾构施工工程中，大部分地层往往是有软岩也有硬岩，一段软一段硬，或上软下硬、密实胶结卵石土等软硬不匀的地层,这种地层在广州地铁、深圳地铁、成都地铁、北京地铁工程江底隧道中普遍存在，这时刀盘的刀具不但要有滚刀，还要有刮刀，即可安装滚刀,也可安装切削刀,这样的刀盘通常称为复合刀盘或混合刀盘。如广州地铁盾构刀盘，刀具的合理选择和应用在这类刀盘上也显得尤为必要。•3.3按位置选择刀具的差异性刀盘上三个不同的区域：中心区、正面区、边缘区，因其承担的破岩量和刀具的受力特性差异，刀具的性能也有差别。•中心区该区是刀盘的中心，特点是空间小，滚刀的转弯半径小，所以滚刀滑动加滚动，承受轴向力大。所以中心刀与正滚刀有如下差别：成组安装：有两个一组、三个一组和六个一组。密封形式:单密封环与轴承或刀体配对。轴承型号：轴承常选用大角度的，且预紧力也大。要求刀圈韧性指标更高些。如采用刮刀的软土刀盘，通常是做成一体的鱼尾刀。•正面区该区处于中心区和边沿区之间，工作时刀具正对着掌子面，有一定的转弯半径，是以所谓的纯滚动工作，又有足够的布置空间，该区的刀具称为正滚刀，在刀具掘进中，纯滚动无论是刀具轴承寿命还是刀圈寿命都比较高，所以正滚刀寿命也相对较长。•边缘区该区位于刀盘的边沿，其刀具不但承担的破岩量大，且刀具受力复杂，还要保证开挖直径，刀圈所用磨损量较少（由35降到15），所以，常常布刀量要多，刀间距减小。有些公司还对刀圈形状和刀体进行特殊处理，作成专用边滚刀。但边滚刀寿命还是较低。•3.4单刃滚刀和双刃滚刀的应用l7¨盘形滚刀有单刃滚刀和双刃滚刀，因其轴承、密封和安装形式都一样，只是多加了一个刀圈，所以双刃滚刀破岩能力较低，一般适应抗压强度小于80MPa的中软岩，滚刀起动扭矩一样的情况下，由于两个刀圈有相对滑动，启动阻力大些，不易偏磨，因此适应于软岩地层。单刃滚刀破岩能力更强，适应范围更大些，在大于80MPa的中硬岩层和更高的硬岩地层广泛应用。•3.5刀具布置及应用案例•在广州地铁二号线越三区间，地层为岩石抗压强度为小于70Mpa的中软岩地层，刀盘装有中心双刃滚刀6把，双刃正滚刀13把，切刀64把，刮刀16把，五环超挖刀1把，在较软的地层滚刀可以更换为齿刀，增加了刀盘对不同地层的适应性。完成二个区间掘进后，刀盘基本完好，平均掘进220多米要更换部分刀具，最高日进度30m，月进度405m。•在广州地铁三号线大汉区间，岩石抗压强度高达156.5MPa，刀盘装有中心双刃滚刀4把，单刃正滚刀31把，切刀64把，刮刀8把，五环超挖刀1把。在较软的岩石地层滚刀可以更换为齿刀，增加刀盘对不同地层的适应性。目前广州、深圳的地铁刀盘刀具布置基本上是这种布置。•3.6国产盾构刀具的应用我国盾构机刀具的研制，通过铁道部科技攻关和国家863项目以及一系列的地方产学研项目的完成，掌握了盾构机刀具制造和应用的核心技术，走在了世界前列。表现在：1)应用范围广：广泛应用于城市地铁隧道、江底隧道、引水隧道和铁路隧道；2)刀圈的耐磨性接近世界先进水平的威尔特圈；3)刀具的密封性能优良，能实现长距离掘进；4）适应性更强，刀具的多样化，解决了我国重大工程中刀具问题，如北京直径线、广深港狮子洋隧道、广州地铁、成都地铁等。5）经济性更好（同样质量前提下）•在西宁线桃花铺隧道施工中，采用威尔特TB880E隧道掘进机，国产刀圈与维尔特刀圈对比如表。•一组国产刀具应用图片•国产面临的问题：•1）实现标准化或通用化，达成批量化生产降低生产成本、提高质量稳定性；•2）刀具生产企业整体实力的提升；•3）对国产刀具的正确认识4、刀具的失效形式•4.1刮刀（齿刀）的失效：1）正常磨损2)刮刀刀刃崩裂：在硬岩掘进中，滚刀磨损太大，刮刀直接切割未经滚刀破碎的硬岩；在硬岩中掘进时，转速太快，突遇硬岩，冲击造成刀刃崩裂；在硬岩掘进中，进刀太深等原因造成刀刃崩裂。3)刮刀刀体断裂：刀体本身的强度和韧性不够；进刀太深。4)刮刀掉齿：合金刀齿的焊接工艺不过关；刮刀突遇硬岩。•4.2滚刀的失效形式主要是刀圈磨损，也有轴承、密封早期失效、刀圈断裂现象。•刀圈的正常磨损•非均匀磨损（偏磨和弦磨）滚刀刀圈周边各部位的磨损程度不一致，有单边偏磨和多边偏磨。单边偏磨一般是滚刀不转造成的，多边偏磨则是滚刀时转时不转造成的，造成滚刀不能连续转动的原因除刀具制造方面外，主要和地层及刀具配置、盾构操作有关。•刀圈崩块、断裂滚刀刀圈在掘进过程中刃口位置崩块、开裂甚至从刀体脱落。这和刀圈制造技术、地层条件和应用都有关系，要区分分析。•轴承或密封损坏：•轴承是刀具上的一种重要组件，对刀具掘进运转的可靠性和刀具的消耗具有特别重要的影响。正常使用状态下，大部分刀具轴承的寿命可达到900小时左右。但在施工过程中,由于各种原因的影响,轴承会发生早期损坏，主要损坏形式为剥离：滚道或滚动体表面剥离，呈凹凸状。保持架破坏等。主要是刀具装配不到位或零部件性能、精度不合格造成的。•刀体与刀盖之间的浮动密封失效造成刀具漏油，泥沙进入刀体内影响轴承。造成刀具密封失效的原因很多，通常与刀具零部件的自身质量和装配质量，刀具的使用工况和所掘进的岩石条件等因素有关。5、刀具的检查•5.1在掘进中过程中检查刀盘刀具•刀具是易损件，因此必须进行定期检查，维修保养，使刀盘及刀具保持完好状态。在进行刀盘维修保养时，需认真彻底，损坏的刀具应该及时更换。由于刀具的布置是相互保护的，如果某把刀损坏了没有及时发现并更换，特别是在硬岩地层或磨砺性大的地层，继续掘进很可能造成成片的刀具损坏甚至刀盘损坏而无法掘进。•对于均一的软土地层如上海等地一般切削刀具都能从头到尾没有很大磨损，均一的硬岩地层如TBM刀具的掘进检查也比较方便易于建立刀具和刀盘的检查制度。•而对于广州、成都、深圳的复合地层，往往不具备开仓条件，但恰恰是这类地层，刀具适应性较差，刀具寿命较短或非正常刀具损坏越经常发生。这种情况下更应该建立严格、完整的刀具检查、更换制度。如采取刀具磨损检测装置、带压进仓、事先加固等措施保证刀具检查和更换制度的执行。因不重视刀具检查，未能及时更换刀具造成刀盘磨损而停机的事屡见不鲜。•5.2成品刀具的检查•对于新购进的刀具或现场返修的刀具，要检查刀具的密封情况、刀圈的硬度及磕碰损坏情况、刀具的启动扭矩数值。6、刀具的拆卸及安装•刀具现场的维修除要有专人负责、具有专用拆装工具、严格的拆装工艺规程、检验、记录规定外，特别强调如下：•1)重复使用零件严格按新件标准检验，特别是轴承和旋转密封这样的关键件，用肉眼看可能没问题，但实际上已报废了。不要因省小钱而废大钱，经常有因螺丝、密封等小件质量问题造成整个刀具报废的。•2)装配过程中，对热装件（刀圈和轴承）严格控制加热温度，对紧固件严格控制紧固力矩。选用的刀圈要能满足工程地质实际需要。焊挡圈时一定要保证不在刀圈上点火。•3)由于滚刀静转矩（可针对不同工况调整）对整个滚刀的使用性能影响很大。一定要认真调整。•如果太大，岩土对滚刀提供的主动转矩不足以克服滚刀静转矩，刀圈不会转动，刀圈偏磨。如果太小，轴承的游隙太大，承受力的轴承滚子少，容易使受力集中的滚子崩裂。而滚刀静转矩主要由密封环阻力矩和轴承阻力矩决定。在密封件规格、尺寸、安装槽尺寸、润滑油（粘度）决定后，通常是一个定值，主要与轴承阻力矩的设定有关。轴承预紧力小也影响轴承的寿命。