08復合式刀盤刀具磨損的分析

1、1復合式盾構機刀具磨損的分析復合式盾構機刀具磨損的分析 2 1 1 概述概述 土壓平衡盾構機的刀盤根據(jù)地質(zhì)條件的不同一般分軟土和硬巖兩種刀盤布置形式,軟土區(qū)刀盤的布置形式是以齒刀為主輔以邊緣滾刀和刮刀，硬巖刀盤的布置形式是以滾刀為主輔以刮刀。刀具是盾構機的一個非常重要的組成部分，對刀具地合理選擇、使用 、維護和更換，直接決定盾構掘進工程的質(zhì)量、進度和工程成本。所以對盾構機刀具磨損情況地分析尤為必要。3 2 2 刀具的結構和切削機理刀具的結構和切削機理2.1 2.1 刮刀刮刀 刮刀用來切削各種砂土、粘土等較松散的地層及全風化巖層等其它未固結的土體，刮刀上裝有碳化鎢刀刃，目的是為了更好的防止掘進過

2、程中產(chǎn)生的磨損。2.2 2.2 齒刀齒刀 用來先行松散各種砂礫層、粘土層及全風化層，使其固結性能變差，然后由刮刀將其刮掉。2.3 2.3 滾刀滾刀 滾刀在推力的作用下貫入巖層，同時在開挖面巖石阻力的作用下隨刀盤做同心圓滾動，巖石被擠壓，形成擠壓切槽，并在小半徑范圍內(nèi)將擠壓裂紋延伸到周圍的巖石，最終在刀盤推力作用下擠壓切槽兩邊的巖石呈片狀破碎。4 滾刀于對各種強、中、微風化巖進行擠壓破碎，滾刀安裝在刀盤的刀座上，這些刀座也可以安裝焊接在特殊支架上的齒刀。滾刀設計最大破巖能力為80Mpa，廣州地鐵三號線客大區(qū)間巖石的最大單軸抗壓強度為62.3Mpa。 2.4 2.4 邊緣刮刀邊緣刮刀 用來校準盾構

3、的開挖直徑。2.5 2.5 超挖刀超挖刀 用于盾構曲線施工時的超挖及盾構姿態(tài)的調(diào)整，由液壓油缸操縱伸縮，其行程為0 100mm(各級分別為626062806300632063406360)。3 3 不同地質(zhì)條件刀具的選擇不同地質(zhì)條件刀具的選擇5 3.1 3.1 刀盤布局刀盤布局 盾構機刀盤分為三個區(qū)域：中心區(qū)、正面區(qū)和邊緣區(qū)。 單刃齒刀 雙刃齒刀 雙刃滾刀 邊緣刮刀 超挖刀 正面區(qū)刮刀 63.1.1 3.1.1 中心區(qū) 該區(qū)是刀盤布局的關鍵，既要考慮對砂土、粘土和較為破碎巖層的開挖和出土的適應性，又要兼顧到整個區(qū)間圍巖的強度，因此該區(qū)采用齒刀和滾刀可以互換的方案，刀座設計成既可以安裝齒刀，又可

4、以安裝滾刀，而且設計成背裝式，即可以在刀盤后面對刀具進行更換。 該區(qū)布置有6把雙刃滾刀（或6把雙刃齒刀），硬巖用滾刀，軟土用齒刀。6把雙刃滾刀的刀間距為180mm.。3.1.23.1.2 正面區(qū) 該區(qū)采用刮刀與雙刃滾刀（或單刃齒刀）組合的布局方式，共設64把刮刀和8把雙刃滾刀（或單刃齒刀），刮刀在刀盤的四個方向分兩列布置，其寬度使得每把刀的切割軌跡有所重疊，可使開挖土體清除干凈。滾刀安裝高度超刮刀高度35mm，雙刃滾刀和單刃齒刀可以互換，硬巖用滾刀，軟土用齒刀。73.1.3 3.1.3 邊緣區(qū) 該區(qū)設置了5把雙刃滾刀、8把邊緣刮刀和1把超挖刀。雙刃滾刀用于對該區(qū)圍巖的破壞，邊緣刮刀用來校準洞徑

5、的尺寸，超挖刀則是用于盾構曲線施工和盾構姿態(tài)調(diào)整。 在開挖時，刀盤邊緣的線速度較高，磨損快，故而配置了8把邊緣刮刀、5把雙刃滾刀，且滾刀也因為刀盤在旋轉(zhuǎn)時相對于中心區(qū)和正面區(qū)而言，滾動范圍大，因而刀具布置較密，刀間距較中心區(qū)刀間距小，刀間距為100mm。該5把滾刀一般不因地質(zhì)情況的變化而更換，硬巖和軟土都采用。3.2 3.2 軟土區(qū)刀具布置軟土區(qū)刀具布置 刮刀64把、雙刃齒刀6把、單刃齒刀8把、雙刃滾刀5把、邊緣刮刀8把和超挖刀1把。8 4 4 雙刃滾刀刀具的磨損及原因：雙刃滾刀刀具的磨損及原因：4.1 4.1 正常磨損正常磨損 刀具的正常磨損是指刀圈的磨損量超過了規(guī)定值，磨損量可用專用的量具

6、進行測量。94.2 4.2 刀圈偏磨刀圈偏磨 如果滾刀在掘進工作面不轉(zhuǎn)動，由于刀圈和掘進工作面的相對運動就會形成刀圈的偏磨。由于中心區(qū)滾刀線速度較小，承受載荷較大，中心區(qū)滾刀容易出現(xiàn)此現(xiàn)象。104.3 4.3 刀圈斷裂刀圈斷裂 推力過大或刀圈在比較硬的巖石上滾動就有可能使刀圈斷裂，若一個刀圈有兩處斷裂，斷裂的部分刀圈就有可能掉到土艙。邊緣滾刀和正面區(qū)滾刀經(jīng)常有此現(xiàn)象。114.4 4.4 表面缺陷表面缺陷 如果有金屬或其它堅硬物損壞了刀圈的局部表面，刀圈局部表面就會形成表面缺陷。4.5 4.5 環(huán)幅式磨損環(huán)幅式磨損 如果刀圈的工作面和掘進工作面充分接觸摩擦，就會形成環(huán)幅式磨損。124.6 4.6

7、 刀圈擋圈磨損或脫落刀圈擋圈磨損或脫落 擋圈是由兩個半圓的鋼環(huán)安裝在滾刀軸的卡槽里焊接成一個完整的圓環(huán)，其作用是防止刀圈從滾刀軸上脫落，一旦刀圈擋圈脫落或焊接處磨損嚴重，就應該更換刀具。4.7 4.7 滾刀漏油滾刀漏油 由于密封件的損壞，就可能使密封油泄漏，從而導致油封座和輪轂的損壞。134.9 4.9 輪轂磨損輪轂磨損 刀盤和渣土不間斷的摩擦，使得滾刀輪轂也發(fā)生嚴重磨損4.10 4.10 油封座損壞油封座損壞 由于漏油使得油封座損壞4.11 4.11 輪轂或油封座損壞輪轂或油封座損壞 刀圈如果在金屬物（掉了的刀圈或螺帽）上滾動，輪轂或油封座有可能被卡住，就會妨礙刀圈繞著滾刀中心軸自由轉(zhuǎn)動。1

8、44.12 4.12 滾刀的多邊形磨損滾刀的多邊形磨損 在掘進時滾刀時轉(zhuǎn)時不轉(zhuǎn)，或者在某個點轉(zhuǎn)動時間長在其它點轉(zhuǎn)動時間短，就會產(chǎn)生這樣的磨損。15 5 5 齒刀、正面區(qū)刮刀和邊緣區(qū)刮刀的磨損及齒刀、正面區(qū)刮刀和邊緣區(qū)刮刀的磨損及原因原因5.1 5.1 齒刀磨損齒刀磨損 正常磨損：齒刀切削土層和砂礫層所形成的磨損。 異常磨損：由于換刀不及時在硬巖區(qū)的磨損。5.2 5.2 正面區(qū)刮刀磨損正面區(qū)刮刀磨損 正常磨損：刮刀刮削土層、砂礫層和被滾刀擠碎的巖層時所形成的磨損。 異常磨損：由于滾刀刀圈掉落，在刀盤同一圓周上的刮刀就直接承受掘進工作面的載荷，刮刀和掘進工作面的相對摩擦，就導致刮刀嚴重偏磨。161

9、75.3 5.3 邊緣區(qū)刮刀邊緣區(qū)刮刀 正常磨損： 刮削土層、砂礫層和邊緣滾刀擠壓后的巖層時所形成的磨損。 異常磨損：由于邊緣滾刀刀圈掉落或者邊緣滾刀磨損量嚴重超限，邊緣滾刀開挖掘進工作面的徑向尺寸小于邊緣刮刀的徑向尺寸，邊緣刮刀被迫直接擠壓在掘進工作面上運動，導致刀具磨損。18 6 6 預防刀具異常磨損的措施預防刀具異常磨損的措施6.1 6.1 擇擇合理的掘進參數(shù)擇擇合理的掘進參數(shù) 掘進參數(shù)包括掘進推力、刀盤轉(zhuǎn)速、扭矩、推進速度、切削量等，影響刀具磨損的最直接參數(shù)是掘進推力，推力的大小直接決定了刀具所承受的載荷。推力過大，雖然短期內(nèi)掘進速度很快，但長時間刀盤刀具所承受的載荷也比較大，過大的載

10、荷會使?jié)L刀軸承受擠壓產(chǎn)生變形，繼而影響滾刀的自轉(zhuǎn)最終造成滾刀刀圈的偏磨或斷裂。一般在巖石中風化帶巖石微風化帶地層最大的推力不要超過1000ton。 刀盤轉(zhuǎn)速也是影響刀具磨損的另一個主要因素，過大的刀盤轉(zhuǎn)速在硬巖地層會造成盾構機振動顛簸，加劇刀具的磨損。一般在硬巖地層刀盤轉(zhuǎn)速設置為 1。5rpm為合適值。196.2 6.2 根據(jù)不同的地層選擇不同的刀具根據(jù)不同的地層選擇不同的刀具 根據(jù)地質(zhì)資料和對出土情況的判斷來確定刀具的更換，特別是兩種地層的交界處。從巖石強風化帶向巖石中風化帶巖石微風化帶地層轉(zhuǎn)換,如不能及時將齒刀更換為滾刀，就會很快加劇齒刀地磨損；從硬巖地層向軟土地層轉(zhuǎn)換，如不及時將滾刀換回

11、齒刀，也有可能出現(xiàn)滾刀偏磨的現(xiàn)象。6.3 6.3 定期對刀具進行檢查定期對刀具進行檢查 在硬巖區(qū)地層中，如果出現(xiàn)推力過大推進速度小扭矩也偏小，盾構機姿態(tài)糾正很難的現(xiàn)象時，就要考慮刀具是否磨損嚴重，安排開艙檢查刀具。 如果連續(xù)出現(xiàn)刀盤或螺旋輸送機被卡住、驅(qū)動電機熄火的現(xiàn)象時，應立即停機進行檢查。20 一般要在不超過二十環(huán)時對刀具進行一次檢查，檢查看是否有刀圈磨損超限、刀圈斷裂、刀圈變形、固定刀圈的螺帽是否松動或掉落、刀座是否有裂紋等，如果一旦發(fā)現(xiàn)應立即采取補救措施。 軟土區(qū)在掘進100環(huán)時要對刀具進行一次檢查。6.4 6.4 盾構機姿態(tài)應保持正常姿態(tài)盾構機姿態(tài)應保持正常姿態(tài) 在硬巖地層如果不斷的

12、調(diào)整盾構機姿態(tài)就會使?jié)L刀受力不均勻，在某個方向上過大的推力有可能導致滾刀變形。 在硬巖地層絕不可只片面追求進度，應該在保證刀盤和刀具不被嚴重磨損的前提下安排生產(chǎn)進度，必要時應該進行限產(chǎn)。為了一時的進度而忽視刀具的例行檢查是得不償失的。 更換刀圈后的刀具要進行扭矩試驗，根據(jù)不同的地質(zhì)條件和巖石強度進行扭矩調(diào)整。 在硬巖地層注意觀察螺旋輸送機出渣情況，如果出渣不是均勻的碎片石，而是伴有大塊的石頭出現(xiàn)，就可能有滾刀刀圈掉落，要立即停機檢查。21 7 7 刀具磨損量檢查及更換原則刀具磨損量檢查及更換原則 7.1 7.1 在硬巖區(qū)，邊緣滾刀磨損量推薦值為1015mm，正面區(qū)為15mm20mm，中心區(qū)為2

13、5mm。刀具正常磨損量超過規(guī)定值就應進行更換，如果有條件最好整盤刀具全部更換；7.2 7.2 檢查中如發(fā)現(xiàn)個別刀具有異常磨損或損壞，應優(yōu)先將原來換下的沒有超過規(guī)定磨損量且已經(jīng)進行過維護的舊刀具換上，而不要換上新刀具。7.3 7.3 一定要確保整個刀盤所換刀具的磨損量盡可能達到最大值，使得刀具能夠掘進盡可能多的環(huán)數(shù)。地層正面區(qū)雙刃滾刀正常磨損情況下可掘進100環(huán)左右。7.4 7.4 刀具要勤檢查，少更換；更要避免長時間停機換刀。22 8 8 刀具的維護和修復刀具的維護和修復8.1 8.1 邊緣滾刀（正面滾刀）的維護和修復邊緣滾刀（正面滾刀）的維護和修復 根據(jù)更換的邊緣滾刀（正面滾刀）的磨損情況和

14、使用記錄，來確定滾刀的維護和修復方案。如果刀圈磨損量沒有超過25mm，可先檢查滾刀密封油是否足夠，如密封油不夠就應添加；用鋸條將滾刀端蓋和軸承縫之間的碎石泥土清理干凈并檢查油封及油封座是否完好，如有損壞應換新或修復。 如刀圈磨損量超過25mm，就應割掉刀圈，重新?lián)Q上新刀圈；同時也要檢查密封油、油封和油封座，并根據(jù)檢查情況進行維護。8.2 8.2 中心區(qū)滾刀的維護和修復中心區(qū)滾刀的維護和修復 中心區(qū)滾刀修復的方法和邊緣滾刀基本相同，由于其結構和邊緣區(qū)滾刀結構不同，其工藝程序比較復雜。238.3 8.3 正面區(qū)刮刀和邊緣刮刀的維護和修復正面區(qū)刮刀和邊緣刮刀的維護和修復 正面區(qū)刮刀磨損量不大可采用在

15、其舊刀的基礎上堆焊耐磨焊絲和“嫁接”舊的刮刀等方法進行修復；如磨損量過大可換新刀，國內(nèi)有替代品。 邊緣刮刀磨損量不大可采用在其舊刀基礎上堆焊耐磨焊絲的方法；磨損量過大換新刀。8.4 8.4 齒刀的維護和修復齒刀的維護和修復 一般正常使用齒刀磨損量不大。由于齒刀構造比較復雜，如果一旦磨損采用在磨損的刀座上涂焊耐磨焊絲的方法效果也比較好；如果磨損量比較大，就只能換新。 24 9 9 關于刀具國產(chǎn)化的幾點建議關于刀具國產(chǎn)化的幾點建議 由于刀具是易損件，消耗量大，如果只是依靠進口刀具不僅供貨期長，而且成本高，所以使用國產(chǎn)刀具勢在必行。國內(nèi)最近幾年也有些公司著手開發(fā)盾構機刀具，象洛陽九九公司生產(chǎn)的滾刀刀圈完全能滿足一般地質(zhì)條件的盾構掘進。不足的是我們現(xiàn)在只能是簡單的更換滾刀刀圈，由于資料的缺乏、試驗設備的落后和對刀具研究的不深入，對于更換刀圈后重新組裝的滾刀刀具，其扭矩調(diào)整還不能夠進行調(diào)試（國外