TBM掘進(jìn)機(jī)盤(pán)型滾刀的研制

1、TBM掘進(jìn)機(jī)盤(pán)型滾刀的研制劉 春(中國(guó)鐵路工程總公司，北京 )摘要：TBM刀具是關(guān)系TBM掘進(jìn)速率的基本要素。通過(guò)對(duì)刀具工作條件的分析和研究，指出刀具壽命與巖石完整性及其在刀盤(pán)的位置相關(guān)；提出關(guān)于整刀及其刀圈、刀體、刀軸、托架、軸承、油封等部件選材、熱處理和加工精度的技術(shù)指標(biāo)要求以及相應(yīng)試驗(yàn)方法和原則：最終以刀位系數(shù)作為刀具評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，選取優(yōu)良刀具進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。關(guān)鍵詞：隨道；施工設(shè)備；TBM掘進(jìn)機(jī)；盤(pán)型滾刀；研制 自1997年我國(guó)引進(jìn)TB880E掘進(jìn)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱TB M)以來(lái)，已成功將其應(yīng)用于秦嶺、磨溝嶺和桃花鋪等隧道的掘進(jìn)施工，提高了施工速度，降低了工程成本。但在施工實(shí)踐中，仍存在刀具消耗量大

2、、更換耗時(shí)等問(wèn)題。掘進(jìn)機(jī)使用盤(pán)形滾刀在巖面滾壓破碎巖石，掘進(jìn)成洞。作為破巖工具，盤(pán)形滾刀刀具磨損速率直接影響隧道掘進(jìn)速度和掘進(jìn)成本，尤其使用大直徑TBM在硬巖中掘進(jìn)，消耗盤(pán)形滾刀的數(shù)量更大，影響就更為突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)1,TBM每掘進(jìn)10.865km(直徑8.8 m)，盤(pán)形滾刀破碎巖石66 xl04m3使用各類盤(pán)形滾刀1201套，消耗各類刀圈4218個(gè)，更換刀具軸承2239套。為減少刀具消耗數(shù)量，降低購(gòu)買成本，結(jié)合施工實(shí)際，開(kāi)發(fā)研制了新型TB880E掘進(jìn)機(jī)盤(pán)型滾刀。1 TBM施工對(duì)盤(pán)形滾刀的使用要求在掘進(jìn)過(guò)程中，盤(pán)形滾刀要承受伴隨破巖過(guò)程產(chǎn)生的高強(qiáng)度沖擊與振動(dòng)、劇烈摩擦和溫度的變化，造成刀圈磨損乃至

3、斷裂、密封損壞而漏油、軸承疲勞損壞和碎裂、聯(lián)接螺栓松動(dòng)或斷裂等一系列損壞，使盤(pán)形滾刀失去破巖能力，必需更換與檢查維修。TBM施工對(duì)盤(pán)形滾刀提出以下使用要求：(1)刀圈必須具備高應(yīng)力下的耐磨性和沖擊韌性：(2)盤(pán)形滾刀必須具有較高的承載能力，在巨大壓力和強(qiáng)烈振動(dòng)的工況下能正常運(yùn)轉(zhuǎn)、破巖：(3)軸承有充分的潤(rùn)滑和可靠的密封；(4)盤(pán)形滾刀在刀盤(pán)上安裝固定可靠，在振動(dòng)與沖擊的作用下，盤(pán)形滾刀螺栓不松動(dòng)、斷裂。2 盤(pán)型滾刀工況2.1 盤(pán)型滾刀在大刀盤(pán)上的布置如圖1所示，在TB880E刀盤(pán)上有6把中心刀、62把面刀（正滾刀）、3把邊刀，共計(jì)71把刀進(jìn)行掘進(jìn)，另外還有2把擴(kuò)孔刀，作為更換邊刀時(shí)擴(kuò)孔之用。圖

4、1 盤(pán)型滾刀布置圖圖2顯示了正滾刀的組成：刀圈熱壓在刀體上，由擋圈保持了它的軸向位置，防止竄動(dòng)；軸承提供刀圈切削過(guò)程中的被動(dòng)回轉(zhuǎn)功能，否則就會(huì)發(fā)生偏磨，它同時(shí)能承受正常狀態(tài)下25t推力；兩個(gè)端蓋使?jié)L刀成為一個(gè)整體，靠托架和楔形墊塊安裝在大刀盤(pán)上。圖2 正滾刀剖面圖2.2掘進(jìn)機(jī)破巖機(jī)理如圖3所示，掘進(jìn)機(jī)切削巖石的機(jī)理是：掘進(jìn)時(shí)，盤(pán)型刀沿巖石開(kāi)挖面滾動(dòng)，通過(guò)大刀盤(pán)均勻地在每把盤(pán)型刀上對(duì)巖面施加壓力，形成滾動(dòng)擠壓切削而實(shí)現(xiàn)破巖。大刀盤(pán)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，盤(pán)型刀將切入一定深度，在盤(pán)型刀刀刃與巖石接觸處，巖石被擠壓成粉末，從這個(gè)區(qū)域開(kāi)始，裂縫向相鄰的切槽擴(kuò)展，進(jìn)而形成片狀石碴。圖3 掘進(jìn)機(jī)破巖機(jī)理示意圖(2)2

5、.3 刀位磨耗標(biāo)準(zhǔn)如圖4顯示：一把新的17英寸盤(pán)形滾刀其外徑尺寸為432mm，切削中刀圈被磨耗，當(dāng)頂高磨耗了38mm時(shí)(外徑減小為356mm)，必須更換新的刀具。在換刀和進(jìn)行刀具調(diào)位時(shí)，相鄰兩把刀的高差應(yīng)控制在15mm左右，最大不超過(guò)25mm，以減少相鄰刀具之間所受推力的不平衡，而這種不平衡力有時(shí)可能是刀具承受正常受力的10倍，使盤(pán)形滾刀的損壞概率增加。圖4 刀位磨耗標(biāo)準(zhǔn)圖(3)分析得知，刀具磨耗高度不同狀況下，切削效果有較大差異：經(jīng)過(guò)計(jì)算，一把新的盤(pán)型滾刀以5mm切入深度(ip)切削巖石時(shí)，刀刃與巖石接觸面積(Ac)是1 076 mm2此時(shí)刀具對(duì)巖石產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力()是232. 22 MPa

6、。當(dāng)盤(pán)刀在高度上的磨蝕量(t)為10 mm時(shí)，Ac=1 688. 51 mm2，= 148. 05 MPa：當(dāng)t=30 mm時(shí)，Ac=2 207.5mm2，=113. 25 MPa; 當(dāng)t=38 mm時(shí)，Ac=2 620.20 mm2，= 95.40 MPa。由此可以看出，當(dāng)使用482 mm的盤(pán)型滾刀，刀圈高度上的磨耗量達(dá)30 mm時(shí)，刀刃與巖石接觸面已為2 207.5 mm2的矩形面，它對(duì)巖面的擠壓力已減少為113 MPa左右，此時(shí)刀具對(duì)巖石的切削轉(zhuǎn)入以磨削為主，刀具的切削，作用大為降低，切削速度明顯下降。2.4 TBM在不同圍巖下切削時(shí)，刀具壽命不同從表1中可以看出，刀圈的消耗比率（即掘進(jìn)

7、百米時(shí)刀具消耗數(shù)）與巖石完整性成正比，即巖石的完整性越高，刀圈磨耗越快，例如Kv值越大（巖石越完整）、Jv越小（巖石單位體積的裂隙數(shù)少），則百米耗刀量就越大（而巖石抗壓強(qiáng)度對(duì)刀具消耗的影響率相對(duì)要小一些）。表l 刀具壽命表(4)序號(hào)掘進(jìn)里程掘進(jìn)長(zhǎng)度/m掘進(jìn)速度/m h-l巖石完整系數(shù)Kv節(jié)理體積數(shù)Jv巖石干燥抗壓強(qiáng)度/Mpa刀具消耗數(shù)量把刀具掘進(jìn)消耗率把(100 m)-1巖性1DK66 +550-7802301.590.75121237331.742DK65 + 370-445751.420.8110942432.003DK67 + 380-430501.180.8271002040.00混合

8、片麻巖4DK67 +930-960350.970.8561301440.005DK66 + 370-5501800.900.88616414580.566DK69 + 720-9802601.170.91417913150.40混合花崗巖2.5 刀具在刀盤(pán)上的刀位不同，其磨耗率不同圖5是不同刀位下刀具磨耗統(tǒng)計(jì)圖。從統(tǒng)計(jì)圖上看出，中心刀及1號(hào)30號(hào)刀位的正滾刀，受力狀態(tài)和磨耗相對(duì)小一些，而52號(hào)60號(hào)、63號(hào)65號(hào)刀位的工況要惡劣的多，消耗也大的多。圖5 不同刀位下刀具磨耗統(tǒng)計(jì)圖3 盤(pán)型滾刀研制內(nèi)容正滾刀的研制包括刀圈研制，刀體、刀蓋、刀軸、托架等主要零件的選材、加工，以及軸承、浮動(dòng)密封、安裝螺

9、栓的選用。3.1 刀圈為保持刀圈良好的耐磨性和足夠的韌性，刀圈的試制重點(diǎn)是刀圈材料選用及熱處理方法的研究。進(jìn)口刀圈含碳量0.5%，是含有Cr、Mo、V、Si等合金元素的熱作模具鋼，鋼材材質(zhì)優(yōu)良，刀刃斷面流線清晰，硬度均勻，熱處理后表面硬度HRC56-HRC58，截面硬度HRC54- HRC56，顯微組織為回火馬氏體及少量細(xì)小顆粒狀碳化物。經(jīng)對(duì)失效刀圈分析，認(rèn)為刀圈發(fā)生崩裂，是由于巨大沖擊造成，刀圈磨損主要是切削式擠壓造成，屬高壓力碾壓式磨料磨損。對(duì)進(jìn)口刀圈材料的化學(xué)成分分析和機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2和表3。表2 進(jìn)口刀圈材料化學(xué)成分 w/%分析單位CSiMnPSCrMoV非金屬夾雜物戚所0.51

10、0.940.270.0150.0014.951.410.801級(jí)一重0.541.000.300.0220.0054.891.260.87九久0.500.760.320.0320.0195.151.170.72南齒0.500.950.340.0200.0155.121.240.90A0.5.B0.5,CO,DO表3 刀圈材料機(jī)械性能測(cè)試單位硬度/HRCb/MPa5%/%Akv/Jbb/MPa威所54562 0455 2510.2511.13 448一重56572 040-2 065568.5-1168九久54572 0505.51014南齒5657為解決刀圈耐磨性和韌性的統(tǒng)一、協(xié)調(diào)關(guān)系，在生產(chǎn)工

11、藝方面，采用模鍛成形毛坯工藝，雖第一批投入較高，但提高了質(zhì)量，降低了原材料消耗；同時(shí)進(jìn)行刀圈碾壓成形毛坯鍛造工藝研究，設(shè)計(jì)出碾壓模具和工藝流程，使刀圈毛坯流線分布合理，加工余量少，節(jié)省材料。此外，在精加工過(guò)程中和過(guò)程后進(jìn)行100%探傷檢查，加強(qiáng)探傷檢測(cè)工作。3.2 刀體、刀蓋、刀軸、托架的選材、加工刀體、端蓋、刀軸等零件是盤(pán)形滾刀的主要加工件，它們承受很大的沖擊載荷，除擋圈外均使用中碳合金鋼制作，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。在刀體加工中，注意控制安裝軸承的兩內(nèi)孔的同心度、刀蓋加工中100 mm內(nèi)孔與托架安裝面的不平行度和刀軸兩側(cè)各4個(gè)M16螺孔的不同軸度的位置精度，使用專用夾具或數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。由于托架的

12、外錐面與墊塊的內(nèi)錐面需配合使用，要求互換，因此除要求錐度準(zhǔn)確外，還要求錐面高度誤差不能大，必須用專用的測(cè)量工具測(cè)量。3.3 軸承、浮動(dòng)密封、安裝螺栓的選用TB880E型TBM的原裝正滾刀與邊刀均使用美國(guó)TIME KE公司生產(chǎn)的HH- HH型加重級(jí)圓錐滾子軸承，每把刀兩套。軸承外徑212. 725 mm，內(nèi)徑99.925 mm寬66. 675 mm額定動(dòng)載荷63 t，額定靜載荷90. 61 t。與試制的同類軸承進(jìn)行試驗(yàn)。TB880E型TBM原裝正滾刀、邊刀、中心刀均使用德國(guó)7697 H2300浮動(dòng)密封。該浮動(dòng)密封尺寸227 mm X15 mm“0”型圈尺寸212 mm9.5 mm。與研制的同類浮

13、動(dòng)密封和“0”型圈進(jìn)行試驗(yàn)。安裝正滾刀與邊刀的M24 *230 - 10.9級(jí)螺栓工作條件惡劣，一旦松動(dòng)或斷裂，就會(huì)造成一把整刀的報(bào)廢，使用量也大。經(jīng)調(diào)研，選用上海標(biāo)準(zhǔn)件五廠M24 *230 - 12.9級(jí)和上海高強(qiáng)度螺栓廠M24*230 - 10.9級(jí)螺栓代替進(jìn)口件裝機(jī)使用。3.4 軸承選用在秦嶺隧道混合片麻巖地段，其干抗壓強(qiáng)度為150 MPa300 MPa，掘進(jìn)機(jī)推力常保持為14 MN17 MN。進(jìn)口軸承使用平均壽命為287當(dāng)量小時(shí)。試用的國(guó)產(chǎn)軸承為146當(dāng)量小時(shí)257當(dāng)量小時(shí)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4。表4 秦嶺隧道試驗(yàn)數(shù)據(jù)刀位號(hào)掘進(jìn)數(shù)/m工作當(dāng)量小時(shí)h刀位號(hào)掘進(jìn)數(shù)/m工作當(dāng)量小時(shí)h3132342

14、40.9175.5168.5245.2160.9146.8484954240.9240.9240.9239.0257.5251.3在磨溝嶺隧道石英云母片巖和大理巖地段，干抗壓強(qiáng)度為120 MPa，掘進(jìn)機(jī)推力常保持為7 MN15 MN后期為12 MN16 MN，進(jìn)口軸承的使用壽命為600當(dāng)量小時(shí)900當(dāng)量小時(shí)，最高達(dá)到1 200當(dāng)量小時(shí)。試用的國(guó)產(chǎn)軸承為606當(dāng)量小時(shí)886當(dāng)量小時(shí)，最高達(dá)到1 247當(dāng)量小時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5。表5 磨溝嶺隧道試驗(yàn)數(shù)據(jù)刀位號(hào)掘進(jìn)數(shù)/m工作當(dāng)量小時(shí)h刀位號(hào)掘進(jìn)數(shù)/m工作當(dāng)量小時(shí)h60 ,61 ,1053 ,57581663 ,65361 313.21 609.91

15、579.51 683.0619.21 343.41 200.21 208.51 247.2606.3633.6691.4720.3543 ,1437 ,1732 ,4033 ,551 058.01 767.61 251.6954.5609.3625.5886.5680.9732.7850.1 在正常使用條件下，軸承的失效是以滾動(dòng)面上的疲勞損壞面積來(lái)衡量的。其壽命為產(chǎn)生這一疲勞損壞的工作小時(shí)。不同工況，對(duì)滾動(dòng)面疲勞剝落的大小可以有不同的要求，例如TIM KEN軸承的工作壽命是產(chǎn)生6 mm2疲勞剝落時(shí)的工作小時(shí)，大于這一要求，認(rèn)為工作壽命可以延長(zhǎng)。盤(pán)形滾刀軸承的轉(zhuǎn)速不高，它在破巖時(shí)主要要求軸承的承

16、載能力，而對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)精度沒(méi)有高的要求，表面疲勞剝落面積可考慮適當(dāng)增大，以降低軸承消耗，盡可能地將軸承額定壽命的潛能力發(fā)揮出來(lái)。在分析軸承的狀態(tài)變化后，將軸承工作壽命（特定地質(zhì)條件下）計(jì)算值提高為900 h。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6、表7所示。表6 研制軸承試驗(yàn)當(dāng)量小時(shí)數(shù)據(jù)累計(jì)值刀體號(hào)2011201220132025202620246732580020342008783累計(jì)當(dāng)量小時(shí)h886.5606 3921.71 208.51 247.21 200633 7850.1335.8602.24735.9525.5從試驗(yàn)狀態(tài)得出：選用的軸承可在正刀的各刀位上掘進(jìn)使用，壽命已達(dá)800 h。（但使用壽命與TIMKEN

17、軸承最終比較，待進(jìn)一步考核）。從價(jià)格、壽命上比較，目前可替代進(jìn)口件使用。表7 進(jìn)口軸承試驗(yàn)當(dāng)量小時(shí)數(shù)據(jù)累計(jì)值刀號(hào)運(yùn)轉(zhuǎn)當(dāng)量小時(shí)h刀號(hào)運(yùn)轉(zhuǎn)當(dāng)量小時(shí)h218A241222A168Nl0017627611 106866970982902919451240A174283671N1002855H10127417294171 1719725363424 裝機(jī)掘進(jìn)試驗(yàn)對(duì)所試制的刀圈、盤(pán)形滾刀總成及盤(pán)形滾刀的安裝件進(jìn)行裝機(jī)掘進(jìn)試驗(yàn)，以考核自行研制盤(pán)形滾刀與國(guó)外同類產(chǎn)品的掘進(jìn)對(duì)比性能，為使用、評(píng)價(jià)和改進(jìn)提供依據(jù)。4.1 刀圈掘進(jìn)對(duì)比試驗(yàn)刀圈試驗(yàn)是考核刀圈在不發(fā)生斷裂和大塊崩裂前提下的性能指標(biāo)。(1)刀圈耐磨性對(duì)比

18、試驗(yàn)方法影響刀圈磨損量的因素有地質(zhì)條件、掘進(jìn)參數(shù)、刀位系數(shù)和刀圈的耐磨性。試驗(yàn)中，將試制刀圈與進(jìn)口刀圈按某種排列同時(shí)裝在刀盤(pán)上，掘進(jìn)相同的距離后，測(cè)量刀圈的磨損量，在TBM掘進(jìn)參數(shù)相同、地質(zhì)條件相同，刀位系數(shù)不同的條件下取得試驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此在比較同等條件下刀圈磨損量時(shí)，還需進(jìn)行刀位系數(shù)的研究。經(jīng)過(guò)大量統(tǒng)計(jì)、分析和研究，得出各刀位的磨損量參考值，其差別很大。若以30號(hào)刀位的磨損量為標(biāo)準(zhǔn)值，得到如表8所列各刀位系數(shù)。表8 TB880E刀位系數(shù)刀位號(hào)強(qiáng)度系數(shù)刀位號(hào)強(qiáng)度系數(shù)刀位號(hào)強(qiáng)度系數(shù)2526272829303132333435360.800.840.880.920.9611.041.081.121.

19、161.201.253738394041424344454647481.301.361.421.481.551.631.741.851.962.072.182.294950515253545556575859602.402.753.103,453.673.833.954.113.933.803.633.39 同組試制刀圈的磨損量與進(jìn)口刀圈的磨損量除以所在試驗(yàn)刀位的刀位系數(shù)后得出30磨損值，用30磨損值定量比較刀圈的耐磨性。并據(jù)此進(jìn)行刀圈試驗(yàn)和結(jié)果比較。(2)刀圈試驗(yàn)結(jié)果表9為刀圈試驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)刀具來(lái)源及施工試驗(yàn)場(chǎng)地的不同分為7組。表中的30磨損差值比率為（試制刀圈的30磨損量一WIRTH30磨

20、損量）WIRTH 30磨損量，“-”值表示試制刀圈30磨損量小于WIRTH刀圈的30磨損量，耐磨性優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品。表9 刀圈試驗(yàn)30磨損量比較序號(hào)試制刀圈30均值（mm/刀圈數(shù)）進(jìn)口刀圈30均值mm/刀圈數(shù)）30磨損量差值比率%序號(hào)試制刀圈30均值（mm/刀圈數(shù)）進(jìn)口刀圈30均值（mm/刀圈數(shù)）30磨損量差值比率%備注1-1-11-1-21-1-31-1-41-1-51-1-61-2-71-2-82-1-12-1-22-1-33-1-13-1-23-1-33-1-43-1-53-2-63-2-73-2-88.65/210.75/59.3/218.5/520.92/213.33/311.75/

21、128.38/29.1/617.14/521.77/68.98/610.83/218.21/49.57/310.02/320.88/212.23/210.10119.14/110.80/29.22/118.43/223.02/214.111110.61/124.22/2S.75/116.97/122.79/18.01/29.58/118.01/18.38/19.08/622.24/115.59/29.9/1- 5.25- 0.460.870.38- 9.12- 5.5010.7017.184.001.00- 4.4712.1013.051.1014.2010.35- 6.10- 2.902.0

22、03-2-93-2-103-2-114-1-14-1-24-1-35-1-15-1-25-2-35-2-45-2-55-2-66-1-16-1-26-1-36-1-47-1-17-1-27-1-314.80/117.99/417.61/438.4/623.95/616.5/67.56/48.74/318.36/222.26/227.71/133.73/222.50/336.58/634.08/336.6/515.31/118.99/417.85/236.5/322.8/315.6/38.24/110.33/217.17/121.99/227.72/133.01/116.75/226. 40/323.97/227.39/33.33-5.26-1.344.203.207.30-8.20-15.406.901.200.042.1934.3038.5042.0033.60斷1個(gè)刀圈斷2個(gè)刀圈斷1個(gè)刀圈斷3個(gè)刀圈 4.2 正刀總成和零部件試驗(yàn)評(píng)價(jià)由于組成盤(pán)形