盾構機刀具如何選型與制造

1、盾構機刀具的選型與制造盾構機刀具的選型與制造使用使用陽九久技術開發(fā)有限公司陽九久技術開發(fā)有限公司 王漢章王漢章 一、盾構機刀具概述一、盾構機刀具概述二、盾構機刀具的選型二、盾構機刀具的選型三、盾構機刀具的結構特點與設計制造三、盾構機刀具的結構特點與設計制造四、刀具的配置使用與發(fā)展趨勢四、刀具的配置使用與發(fā)展趨勢一、盾構機刀具概述一、盾構機刀具概述 簡述盾構機刀具的歷史變革與發(fā)展簡述盾構機刀具的歷史變革與發(fā)展 刀具是一個很廣泛的概念，在石器時代人們就嘗試著利用石刀、石斧為人類服務。在現(xiàn)代人們的日常生活當中，人們更是廣泛的利用著各種各樣的刀具，在機械加工業(yè)、木工業(yè)、采礦業(yè)等工業(yè)領域，刀具都得到了很

2、好的利用為經(jīng)濟社會發(fā)展服務。特別是近代在隧道工程掘進施工領域，隨著盾構機施 工技術的發(fā)展，更是為刀具的應用和發(fā)展帶來了獨特的發(fā)展空間，不論在什么地層條件下施工，掘進速度的快慢，施工成本的高低，都直接與刀具的選擇是否得當和其性能好壞有著很大的關系和影響。因此，世界各國都非常重視盾構機刀具的研究和應用，特別是在盾構機施工中對各種巖層的開挖所需的刀具，各國都做了大量的研究工作，美國、日本、德國等一些工業(yè)發(fā)達國家從刀具的切削機理、切削理論計算、破巖的方式、模擬 試驗等方面都進行了長期的深入研究，并在不斷的應用中改進和完善，形成了適用于多種地層的盾構機刀具系列和品種規(guī)格。 我國對盾構機刀具的開發(fā)研究始于

3、二十世紀六十年代，經(jīng)過幾十年的努力和發(fā)展，也取得了較大的進步和發(fā)展，特別是從上世紀九十年代以來，我國的經(jīng)濟建設進入了一個高速發(fā)展的時期，整體隧道工程盾構施工技術水平和刀具制造水平都有了較大的提升。隨著國內的地下隧道工程建設大量增加，國 內的盾構機施工任務也大量增加，已成為盾構機施工技術的應用大國，對盾構機設備和刀具的需求量也不斷增加，從而也促使盾構機刀具的研究和發(fā)展取得了長足的進步，目前已研制出多品種、多規(guī)格、多功能且能滿足于多種地層施工需要的盾構機刀具，有的刀具已達到了國際同類刀具的先進水平，國產(chǎn)刀具正逐步替代進口刀具,迎來一個盾構機刀具大發(fā)展的時代。 盾構機刀具的分類和切削機理盾構機刀具的

4、分類和切削機理 2.1盾構機刀具的分類盾構機刀具的分類 我們知道盾構機刀具（以下簡稱刀具）是盾構機施工中實施掘進的的關鍵部件，所有的掘進施工最終都要靠刀具來完成。刀具被安裝在刀盤的最前面，掘進過程中隨刀盤一起轉動來開挖掌子面。所有安裝在刀盤上的刀具目前分為兩大類，一類是在掘進過程中只隨刀盤轉動進行開挖掌子面的刀具，如切刀、邊刮刀、貝殼刀等，這類刀具統(tǒng)稱刮削類刀具，簡稱刮刀；如圖示 貝殼刀貝殼刀 3013333 另一類是在掘進過程中刀具除隨刀盤一起進行轉動外，其刀具自身還繞刀軸進行自轉，如正滾刀、中心滾刀、邊滾刀、錐形滾刀等，這類刀具統(tǒng)稱為滾切類刀具，簡稱滾刀：如圖示 錐形滾刀錐形滾刀 2.2

5、盾構機刀具的切削機理盾構機刀具的切削機理2.2.1刮削類刀具的切削機理刮削類刀具的切削機理 刮削刀具一般是通過螺栓連接或焊接在刀盤上的，在刀盤的連續(xù)旋轉帶動和刀盤推力作用下， 刮削刀具的刀刃部分不斷的嵌入（切割）掌子面，并對掌子面（或滾刀破碎后的渣土）通過刮刀前刀面向上和向兩側連續(xù)進行擠壓撬動使掌子面剝落，剝 落的的渣土沿刮刀的前刀面向兩側滑落進入清渣槽，這樣使刮刀既具有切削的功能也具有裝載的功能。因此刮削刀具是一種以切割力和擠壓力來開挖掌子面的刀具，適用于表土層及軟巖泥層（一般小于30MPa）的掘進施工。2.3 滾切類刀具的切削機理滾切類刀具的切削機理2.3.1 盤形滾刀的切削機理盤形滾刀的

6、切削機理 由于盤形滾刀本身的滾動，其磨損速度比刮刀要慢的多。加之刀刃較窄，在刀盤的相同推力下作用于巖石上的壓強要大的多，因而能破碎的巖石也比刮刀要硬得多，多數(shù)的沉積巖只用盤形滾刀就能充分破碎?，F(xiàn)階段盤形滾刀主要用在盾構機的刀盤上，故長期以來，盤形滾刀幾乎和盾構機滾刀成為同義語。 小型的盤形滾刀（12）通常是把刀刃和刀體做成一體，一般是多刃的，有的刀刃上還鑲嵌硬質合金；大規(guī)格的盤形滾刀（一般為1419）刀體和刀刃通常是分離的，可以拆裝以便于刀刃磨損后更換。人們習慣上又常把刀刃稱為刀圈，可更換的刀圈可以是鋼刀圈，也可以是在鋼刀圈上鑲嵌硬質合金。這要根據(jù)地層選擇，鑲嵌硬質合金的刀圈（也常稱為球齒刀圈

7、）更適合特硬巖層的掘進施工。 盤形滾刀的切削原理是當?shù)侗P在縱向油缸的巨大推力作用下，使安裝在刀盤上的盤形滾刀壓入巖石；同時刀盤在旋轉裝置的驅動下給滾刀施加滾動力矩帶動滾刀繞刀盤中心軸公轉，在滾刀公轉的同時，由于掌子面對滾刀的摩察力作用，使?jié)L刀還繞各自的刀軸自轉，這樣就使得滾刀在巖面上連續(xù)滾壓。刀盤施加給刀圈的推力和滾動力矩的結果是：推力使?jié)L刀刀圈壓入巖體，滾動力矩使?jié)L刀刀圈滾壓（剪切）巖體。通過滾刀刀圈對巖體的連續(xù)擠壓和剪切，使安裝在不同刀位的滾刀在巖面上滾切出一系列的同心園槽。（見下圖） 滾刀滾壓巖石的破碎效果隨著推力的不同而不同。有試驗證明巖石的破碎一般分為三個階段：即研磨、疲勞破碎和有效

8、體積破碎。 研磨研磨：當滾刀受到的推力很小時，刀圈對巖體的擠壓力遠小于巖體的極限強度，巖體破碎是在摩擦力作用下引起的表面磨損。破碎的顆粒小，刀圈磨損嚴重，對巖體的破碎速度慢。 疲勞破碎疲勞破碎：當滾刀受到的推力逐漸增大，但刀圈對巖體的擠壓力仍小于巖體的 極限強度，通過刀圈對巖體的多次碾壓下，巖層沿滾壓方向會分布一定的壓應力，巖體會沿壓力線產(chǎn)生疲勞裂紋，進而發(fā)生破碎。 有效體積破碎有效體積破碎：當滾刀受到的推力足夠大，刀圈對巖體的擠壓力大于巖體的極限強度時，刀刃貫入巖層使巖體產(chǎn)生內應力，迫使巖體產(chǎn)生跳躍式的裂紋直接破碎，破碎塊度增大，破碎速度加快，并隨刀盤壓力的增加而線性增加（但受其它條 件的制

9、約，壓力不能無限增大）。巖面被盤形滾刀擠壓破裂而形成多道同心圓溝槽。隨著溝槽深度的增加，巖體表面裂紋加深擴大，相鄰同心圓溝槽間的巖石成片崩落完成盤形滾刀的破巖過程。該工況下破巖速度快刀圈磨損小，巖石破碎過程所消耗的比能也小。實際掘進過程中，破巖效果和刀盤推力、滾刀刀圈間距、刀圈刃口型狀、巖層特性等有關，很難完全達到最佳的體積破碎，往往是各個階段都有。此外，在掘進過程中，盤形滾刀在刀盤上 的運動除繞刀盤中心的切向圓周公轉、滾刀自轉和沿掘進方向的切深擠壓運動外，還有沿刀盤徑向的滑移運動，且在同樣轉速下半徑越小滑移越大，因此滾刀正常情況下磨損最嚴重且容易出現(xiàn)弦磨的部位是靠近刀盤中心滾刀的刀圈，滾刀受

10、到巖層的側滑力的方向是沿半徑背離刀盤軸心方向。2.3.2 錐形球齒滾刀的切削機理錐形球齒滾刀的切削機理 錐形球齒滾刀的刀齒是鑲嵌于錐形刀體表層的硬質合金球柱（齒柱），這種齒柱是由粉末冶金制成，兩種 主要的材料是碳化鎢和鈷，鈷是起粘結劑的作用，并控制壓入齒柱的 物理性能（抗磨和抗彎）。還添加一 些其他的微量金屬。壓入齒柱的抗壓強度根據(jù)不同巖層的使用條件約為2600-3100 MPa ，硬度一般為HRA80-90，齒形一端以半球面者居多,所以常稱球 齒，也有錐形等其它形狀的(見圖2.2)。由于這些特點,球齒滾刀適用于掘進硬巖地層,球齒滾刀是靠壓碎和研磨作用來進行破碎巖石的。壓入齒柱的形狀和伸出刀體

11、的高度可根據(jù)巖層條件的不同而有所不同，目前盾構機不常用。二、二、 盾構機刀具的選型盾構機刀具的選型 首先要考慮地層的多樣性首先要考慮地層的多樣性 刀具的選用是否適用于該項目的地層條件是影響使用效果的關鍵因素之一，因此選用刀具時首先要考慮該項目的具體地質條件。施工中各工程遇到的地層條件是千變萬化的，但不管其怎樣變化，其主要地質狀況不外乎土層和巖石兩大類或兩類地層的不同組合形式。 就土層而言，是以各種沙土、粘土、填土、膠結泥等形式或者以它們的不同組合呈現(xiàn)在掌子面，它們的硬度都比較低，強度特性較弱，比較容易被撬動和剝落，一般抗壓強度在30MPa以下，用刮削類刀具即可完成掘進施工。 就巖層而言，是巖石

12、以各種不同的強度和固體形狀或以它們的不同組合形式呈現(xiàn)在工作面，它們的強度特性較高，（常以單軸抗壓強度來表達）抗壓強度一般在30MPa以上，必須用滾切刀具或用滾刀和切刀的組合來完成掘進施工。常見的巖石單軸抗壓強度參考值如下：巖石種類巖石種類 抗壓強度抗壓強度(MPa) 巖石種類巖石種類 抗壓強度抗壓強度(MPa)花崗巖 98245 石灰?guī)r 29245 石英片巖 69178 閃長巖 177294 玄武巖 147294 大理巖 98245 片麻巖 49196 云母片巖 59127 砂 巖 19.6196 板 巖 98196 泥灰?guī)r 1298 頁 巖 9.898 從上述巖性對比可以看出，在不同的地層進

13、行施工所適用的刀具是不同的，但所有的刀具也都是圍繞怎樣切割、剝落各種巖層和土層來進行施工的。刀具的研發(fā)也是如此，經(jīng)世界各國多年的研究和施工實踐，目前所使用的盾構機刀具主要還是刮削類刀具和滾切類刀具。對于不同地層的掘進施工，應采用不同型式的刀具。在確定刀具形式之前必須對施工地層進行勘察取樣與試驗，制定出詳細的地質報告，一 般地層都是以組合地層條件出現(xiàn)的，也有單一地層的情況，然后根據(jù)地層的分布特性和巖石抗壓強度選擇刀具。 選擇刀具一般應遵循以下原則選擇刀具一般應遵循以下原則 2.1 根據(jù)經(jīng)濟性選擇刀具根據(jù)經(jīng)濟性選擇刀具(1) 掘進速度快、效率高；(2) 單位進尺刀具消耗費用少；(3) 盡可能適應多

14、種地層掘進要求；種類少， 備件費用低：(4) 掘進單位進尺動力消耗少，綜合費用低；2.2 根據(jù)地層條件選擇刀具根據(jù)地層條件選擇刀具 對于軟土層來講是比較好選擇的，只要耐磨性好、排渣好的刮削刀具一般就能滿足需要；對于巖石地層，則主要考慮巖石的如下特性（1）巖石的強度）巖石的強度 巖石的單軸抗壓強度是影響掘進效率的關鍵因素之一。一般盾構機最適合掘進抗壓強度為30-150MPa的中軟巖地層。刀 具的費用部分地取決于巖石的強度。在較在較軟巖石中，抗壓強度是一種較可靠的衡量軟巖石中，抗壓強度是一種較可靠的衡量標準。但在中硬巖石中，巖石的抗壓強度標準。但在中硬巖石中，巖石的抗壓強度與實際可破性往往不成正比

15、與實際可破性往往不成正比。這是由于某些中等抗壓強度的巖石有彈性或韌性。在掘進過程中，它對掘進的阻力大于巖石抗壓強度所表示的阻力。彈性表現(xiàn)為巖石的韌性，當?shù)毒邏喝霑r，巖石變形而不碎成巖渣。在這類巖石中掘進，其困難程度大于抗壓強度雖然大但其脆而易碎的巖石。 世界各地都在研究，尋求能表示巖石可破性的可靠指標。但地層往往是復雜的，刀具的選擇一定要考慮其復雜性。（2）巖石的耐磨性）巖石的耐磨性 選擇刀具還必須考慮的第二個因素是巖石的耐磨性。巖石的硬度和耐磨性越高，刀具消耗和施工成本就越高，造成停機換刀次數(shù)增加，影響掘進速度，在相對不耐磨的巖石中即使抗壓強度很高，采用盤形滾刀或楔齒滾刀往往效果很好。反之在

16、耐磨性大、抗壓強度小的巖石中往往要用硬合金球齒滾刀，以免頻繁換刀造成停工。（3）巖體的結構面發(fā)育程度）巖體的結構面發(fā)育程度 巖體的結構面發(fā)育程度即巖體裂隙化程度與掘進效率有很大的關系?？箟簭姸?、硬度、耐磨性相同或相近的巖體，若結構面發(fā)育程度不同，掘進機的掘進速度的差異明顯。 由于各種刀具的結構型式、破巖機理和破巖部位地質的不同,每一種刀具只能適應于一定的掘進地層。表3.1是美國瑞德公司推薦的幾種刀具的使用范圍。表3.1 幾種刀具的推薦使用范圍分類抗壓強度 MPa 典 型 巖 石 刀 具 型 式軟土層軟巖 30頁巖 粘土 泥巖 刮刀;齒刀;楔齒滾刀 中軟巖 30-85石灰?guī)r 砂巖 大理石 火山巖

17、 凝灰?guī)r盤形滾刀;楔齒滾刀 中硬巖 85180 白云石 片麻巖花崗巖 片巖 長石硬質合金楔齒滾刀；盤形滾刀；盤形球齒滾刀表3.2各類刀具的主要破巖機理 刀具類型刮刀球齒滾刀盤形滾刀主要破巖機理刮 削剪 切擠 壓研 磨龜 裂運動形式滑動滾動+微滑滾動刀齒形狀刨刀狀球面狀楔狀（4）復合地層刀具的選擇）復合地層刀具的選擇 對于地層條件不一致的復合地層，如沙卵石地層，土層、膠泥層以及巖石層等層疊分布的地層，施工和選擇刀具都是有一定困難的，這時一定要綜合考慮各種地質特性，選用部分既要能適合土層、膠泥層掘進的刮刀，也要選用一部分能對付巖石層的滾刀，并交錯布置刀具，互相能夠補償，充分發(fā)揮其應有的潛能。在刀具

18、制造時，也要采取相應的措施。如在刮刀制 造時充分考慮其耐磨性，在刀具的結構形式上既要有利于刮削，也要有利于幫助滾刀清理巖渣和膠泥團的刮刀；在滾刀制造時，既要考慮破巖的需要，有足夠的強度和硬度，又要考慮沙卵石地層對滾刀的磨損，在刀體外表面和刀座外表面堆焊耐磨材料或其它耐磨措施，防止過早磨損失效，同時還要控制滾刀的啟動扭矩不要過大，以免滾刀在通過沙卵石層和土層時不能自轉，產(chǎn)生弦磨破壞失效。三、盾構機刀具的結構特點與設計制造三、盾構機刀具的結構特點與設計制造 刮刀的性能結構特點及設計制造刮刀的性能結構特點及設計制造1. 1 刮削類刀具特點刮削類刀具特點 刮削類刀具一般是通過相對滑動來切割軟巖和土層的

19、，它由刀體和刀刃和安裝座兩組成，安裝座一般焊接在刀盤上。刮削刀一般用于軟土層和膠結地層的開挖，有時在復合地層施工中也作為輔助刀具裝在滾刀的后面使用。但此時的安裝要低于 盤形滾刀一定的高度，主要是用來輔助刮削收集滾刀切割下來的巖渣，對刀盤起保護作用，掌子面的破碎主要還是靠滾刀來完成的，只是為了把被滾刀破碎后的巖渣及時收入清渣槽，以防渣土積聚磨損刀盤，如果只用刮刀則會迅速將刮刀磨損。 刮刀刀體對刀刃起支持作用，并且刀體還起到在刀盤上的安裝連接作用，要求具有較高的強度、剛度和耐磨性；刀刃部分通常直接與掌子面接觸起切割、撬動巖土層的作用，要求刀刃耐沖擊、高強度和高耐磨性。1.2刀類刮刀具的設計制造刀類

20、刮刀具的設計制造 俗話說好刀看刃，為了延長刀具使用壽命，刀刃部分通常采取釬焊或鑲嵌（通過釬焊或熱裝）優(yōu)質硬質合金刀片，其硬度一般在HRA83-88之間，以保證刀刃部分的鋒利和耐磨性，滿足切割軟巖和土層的需要。合金刀片的形狀和尺寸較多，根據(jù)不同的刀盤安裝要求和地層情況而定，要求其具有較高的耐磨性、抗沖擊韌性及與 刀體的可焊性（焊接結合時）；刀體要具有足夠的強度和耐磨性，通常選用中碳合金鋼或空淬鋼，使硬度達到HRC40以上，也常常采用表面硬化技術或局部堆焊耐磨層；其形狀則根據(jù)需要可作成各種形狀和尺寸，所以，刮削刀具的種類繁多，目前盾構機上常用的刮削類刀具主要有邊刮刀、貝克刀、切刀、齒刀、先行刀等，

21、其切削的方式和切削機理是一樣的，本文通稱刮削類刀具。 滾刀的結構特點及設計制造滾刀的結構特點及設計制造2.1. 盤形滾刀的結構特點盤形滾刀的結構特點 滾切類刀具是通過刀具的滾動來切割巖層的，所以人們又常常習慣稱為滾刀。它一般是通過刀框座和螺栓連接在刀盤上的，在工作過程中，它不僅要在刀盤的帶動下隨刀盤進行公轉，同時還要圍繞自身刀軸進行自轉，通過不斷的連續(xù)滾動對巖層進行滾切、擠壓和摩擦，使掌子面上巖 層逐漸龜裂剝落，完成對巖層的切割破碎。并且滾刀是由多個零部件經(jīng)加工后裝配而成的，不僅要求硬度高、耐磨性好，而且還要求密封性能好，承載能力大，主要用于巖石層和復合地層的施工。 根據(jù)刀體和刀刃的形狀不同，

22、滾刀可分為：錐形滾刀、盤形滾刀（又分鋼刀圈滾刀和球齒刀圈滾刀）。盾構機刀盤上現(xiàn)在一般只安裝盤形滾刀，根據(jù)其在刀盤上安裝位置的不同，滾刀又分為：中心滾刀、正滾刀、邊滾刀等。 我們知道盤形滾刀的主要性能是用來破碎巖石的，必須具有良好的滾壓和剪切破巖功能,適應多種地層和巖石條件。盤形滾刀的刀圈是易損件，因其消耗量大，價格也較貴，應能 在工作現(xiàn)場進行更換，以提高其使用價值， 附：正滾刀結構圖 刀圈的斷面幾何形狀根據(jù)巖層條件變化可有多種選擇。滾刀的內部件與其切削刀圈同樣重要，性能優(yōu)良的軸承和軸系零件以及性能可靠的密封、潤滑，可以提高滾刀的承載能力，延長使用壽命。較好的刀座結構便于滾刀在刀盤上安裝拆卸，安

23、全可靠。所有這些都是設計時應當加以考慮的。盤形滾刀有1012151719等多種規(guī)格系列，現(xiàn)在盾構機常用的一般為17系列滾刀，發(fā)展的趨勢是19滾刀。我們現(xiàn)以17盤形滾刀為例將其結構性能特點及設計制造過程說明如下：（1） 17盤形滾刀技術性能指標：盤形滾刀技術性能指標： 滾刀直徑 17”(432mm) 滾刀承載能力 30噸/把 滾刀適應地層條件 30200MPa 滾刀啟動扭距 3070N.m（2） 17盤形滾刀結構特點：盤形滾刀結構特點： 滾刀分為正滾刀、邊滾刀、中心滾刀等。根據(jù)地質條件的差別，有單刀圈滾刀和多刀圈滾刀。其內部結構如上圖所示。它們主要由刀圈、刀體、刀軸、圓錐滾子軸承、金屬浮動密封環(huán)

24、、刀蓋(座)及聯(lián)接螺栓等件組成。目前不論其規(guī)格大小和安裝部位的不同，盤形滾刀的內部結構均采用背對背安裝的圓錐滾子軸承組合、油浴潤滑、金屬浮動密封環(huán)密封形式。根據(jù)安裝方式的不同，滾刀刀蓋和刀軸軸頭有不同形式。根據(jù)地層和刀具種類的不同，刀圈的厚度從57.2mm80mm不等,刀圈的內孔尺寸各公司也有差別,刀圈刀刃也有不同形狀。 2.2 盤形滾刀主要件的設計制造盤形滾刀主要件的設計制造 在滿足滾刀正常安裝、適合地層的條件下，影響滾刀使用壽命的四大關鍵是刀圈、刀體、軸承和密封的制造和裝配質量?，F(xiàn)將這幾種零件的制造和裝配過程介紹如下：（1）刀圈的制造）刀圈的制造 滾刀刀圈是影響滾刀使用壽命的關鍵，其制造質

25、量不好會因過早磨損，斷裂而降低整刀壽命。刀圈直徑采用目前國內外流 行的17吋（432mm）尺寸。刀圈的斷面形狀對破巖影響較大，目前刀圈刃部的輪廓線已趨于流線型，通常刀圈邊緣半徑R=3-4mm。滾刀刀圈材料有兩大類：即整體合金鋼刀圈和鑲硬質合金齒的刀圈。（見右圖） 整體合金鋼刀圈材料主要以熱作模具鋼為主，硬度一般在HRC55-60之間, 它的特點是可以承受較大的沖擊載荷，并具有較好的耐磨性能，刀具制造費用相對較低，適用于中硬巖層條件破巖做業(yè)。合金球齒刀圈是在合金鋼刀圈基體上鑲嵌硬質合金柱齒，硬質合金柱齒頭部呈球狀，硬質合金硬度為HRA85-88。一般情況下，抗壓強度超過150Mpa的堅硬巖層采用

26、球齒刀圈進行施工，能很好地解決刀圈硬度（主 要是合金球齒硬度）和韌性（刀圈基體的韌性）的矛盾，因為合金鋼刀圈在提高硬度增加其耐磨性的同時會增加脆性、降低韌性而使其強度降低，容易使刀圈崩裂，球齒刀圈能很好的解決這個問題，其壽命是鋼刀圈的1.5-3倍，比較適合安裝在邊滾刀和超挖刀等耐磨性要求較高的刀位，但制造成本較高。根據(jù)刀圈的工作條件，刀圈材料應滿足以下性能：a )高的屈服強度，減少刀刃端在高應力下壓潰變形； b )良好的沖擊韌性，提高材料裂紋擴展功，防止刀圈斷裂；c )足夠高的硬度，增加耐磨性，減少刀圈磨損；d )良好的抗回火性能，提高材料的熱穩(wěn)定性，保證刀圈在熱裝和滾壓巖體過程中不降低硬度。

27、e )良好的熱加工和冷加工的工藝性能，材料成本低，制造方便，提高產(chǎn)品合格率。（2）滾刀密封特性及制造：）滾刀密封特性及制造： 密封可保存軸承潤滑劑并防止外來物進入，對保證軸承正常工作和延長工作壽命是十分重要的。金屬浮動密封環(huán)屬于機械端面密封的一種，非常適用于滾刀作業(yè)的復雜多變的地層工況條件（使用環(huán)境惡劣，且有一定的外部介質壓力，其載荷具有低速重載和沖擊性的特征）具有一定的承壓能力以及良好的密封性能和較長的壽命。 這種密封由兩個嚙合的經(jīng)過硬化處理的合金鋼或高鉻鑄鐵密封環(huán)和兩個富有彈性的復曲面橡膠圈組成。用復曲面橡膠圈調整密封環(huán)位置，因它有浮動能力，可以補償裝配端面間隙或防止偏斜。復曲面密封圈使金

28、屬密封環(huán)端面壓力恒定。當空間有限而采用短滾刀時，可采用改進型浮動端面密封。（此時采用一個復曲面橡膠圈，一個金屬密封環(huán)，一個精加工過的滾刀零件端面）。 金屬密封環(huán)是密封件中的主要零件，其結構及質量的好壞起決定性作用。金屬密封環(huán)采用高硬度的耐磨、高鉻鉬的鑄鐵材料，硬度HRC60-65，工作表面粗糙度Ra0.1um，表面平面度0.0015mm。 這種金屬密封環(huán)的特點如下：a )采用3.5度導油斜面及小曲率半徑球面環(huán)與平面環(huán)結構，有利于形成油膜,以保證軸承潤滑油不泄漏及阻止泥土進入軸承腔；b )采用高光潔度及高硬度工作面，使之貼合良好，減少了摩擦阻力，提高密封性能；c ) 加厚了密封環(huán)的尺寸，提高了結

29、構強度；d ) 浮動密封環(huán)采用的0型橡膠圈,是按刀具工況要求，研制的專用橡膠件（P118及P229膠料），使用效果良好；與普通橡膠相比，具有可壓縮性大及回彈性好等特點。即使在外界巖土的沖擊中，也始終對金屬密封環(huán)施加壓力，讓金屬環(huán)工作面始終接觸，保證軸承潤滑油不泄漏并阻止泥土進入軸承腔，起到密封效果。（3） 滾刀軸承結構特性滾刀軸承結構特性 滾刀軸承大都采用美國鐵姆肯公司生產(chǎn)的圓錐滾子軸承作為滾刀的軸承，這種軸承選用滲碳淬火鋼制造，表面有很高的硬度，芯部有很高的強度和韌性，這類軸承要求具有以下的優(yōu)點：a ) 能同時承受徑向載荷和軸向推力；b ) 就相同的軸承尺寸而言，相對壽命更長；c ) 就相同

30、的承載能力而言，尺寸較小。d ) 調節(jié)性能好：不管是軸向游隙還是預加負荷，均能按設計要求 調整到最佳性能；e ) 其錐型結構固有的自動移油特點，能從滾道接觸區(qū)域排除任何微粒沾染物，大大降低了受工作環(huán)境污染物的影響；f ）與其他類型的滾子軸承相比，因其純滾動效果較好，摩擦系數(shù)減少，磨損速度慢，使用壽命長；g ) 由于其內外滾道可分離，安裝和拆卸十分簡便；另外軸承載荷的變化對軸承的壽命是有很大影響的，鐵姆肯公司給出的結論是：載荷減少一半，軸承壽命增加十倍：載荷增加一倍， 軸承壽命降低90%。例如一個軸承在18144公斤的壓力下，轉速 為120轉分時，按設計理論計算軸承壽命為564小時，而當載荷減少

31、50%時，軸承壽命可延長至5684小時，提高十倍以上。（4）刀體、刀蓋的制造）刀體、刀蓋的制造 刀體是滾刀的主要受承載力的零件，它支撐著刀圈進行破巖切削，同時又保護著滾刀內部的軸承和密封進行正常的運轉，既要有足夠的強度承受來自刀盤和掌子面的擠壓力，又要有較高的耐磨性來應對刀圈破碎下來的巖渣的磨損；刀蓋是浮動密封的保護支撐體，同時又起到壓緊軸承調節(jié)滾刀啟動扭矩的作用，兩者材料一般選用42CrMo材質的鍛件，并經(jīng)兩次熱處理，使硬度達到HRC40-45，對于有的沙卵石復合地層，為了提高刀體的耐磨性，還在刀體上堆焊碳化鎢等耐磨材料，保證其滿足特殊地層的耐磨性需要。（5） 滾刀的裝配滾刀的裝配 滾刀的裝

32、配環(huán)節(jié)是保證滾刀的綜合性能的關鍵過程之一，要保證各個配合尺寸的過盈量符合設計要求，保證所用軸承的預緊力的調整，并仔細檢驗所用密封是否存在劃傷等缺陷，進行密封試壓檢驗，加足潤滑油，并根據(jù)地層條件調整好滾刀的啟動扭矩。硬巖時啟動扭矩要大一些，軟巖時啟動扭矩要小一些，以防止?jié)L刀不轉而出現(xiàn)弦磨，造成滾刀過早損壞。滾刀扭矩一般在30N.m-70N.m之間。（6） 潤滑的要求潤滑的要求 因為金屬浮動密封環(huán)需要配合以油浴潤滑，故采用圓錐滾子軸承制造廠家推薦的車輛齒輪油（GL-5），它具有如下特點：a ) 良好的抗磨性。能在被潤滑表面形成牢固油膜，以防止軸承和浮動密封環(huán)高工作壓力區(qū)表面擦傷和膠合。b ) 良好

33、的抗氧化安定性，以適應在苛刻條件下長期使用，而不易氧化衰變。c) 良好的抗泡沫性，在保證操作條件下，劇烈攪拌過程中產(chǎn)生的泡沫少，并易于消滅。d) 良好的防銹性能 ，以保證被潤滑表面不產(chǎn)生腐蝕和銹蝕。 此外，稀油潤滑的充滿性和排氣性好，也有利于滾刀使用。四、刀具的布置使用與發(fā)展趨勢四、刀具的布置使用與發(fā)展趨勢 根據(jù)刀具特點合理布刀根據(jù)刀具特點合理布刀 不同的工程地質條件應采用不同的刀盤結構形式和布刀方式及刀具組合類型。布刀是否合理將直接影響施工效果和項目效益。在設計刀盤時刀具配置應考慮以下幾方面：1.1 按施工技術特點布刀按施工技術特點布刀 為保證施工操作安全可靠，首先應考慮以下幾點（1） 使刀

34、盤受力均衡、振動小、運轉平穩(wěn)；（2）刀具覆蓋整個斷面（3）不得引起巷道偏斜；（4）方便排除渣土；（5） 便于裝拆和檢查修理。1. 2 按刀盤各區(qū)工作特點布刀：按刀盤各區(qū)工作特點布刀： 根據(jù)刀盤上三個性質不同的區(qū)域(中心區(qū)，中心區(qū)，正面區(qū)及邊正面區(qū)及邊緣區(qū)緣區(qū))的工作特性，布刀時一定要充分考慮其分布特點。（1） 中心區(qū)刀具受力和使用特點中心區(qū)刀具受力和使用特點 該區(qū)是刀盤的中心，特點是位置小，滾刀安裝在刀盤的回轉中心處，施工過程中滾刀公轉半徑很小，而曲率很大。根據(jù)運動學原理，滾刀在施工中要受到刀盤的推力、刀盤扭矩對滾刀產(chǎn)生的滾切力以及刀盤旋轉使?jié)L刀產(chǎn)生的向心力。而向心力的大小在滾刀推力不變的情況

35、下與滾刀的向心加速度成正比，而向心加速度大小， 從公式An=V2/可以看出，當?shù)侗P做勻速回轉時，與曲率半徑成反比，靠近刀盤中心的向心加速度可以是無窮大，它表明滾刀速度方向的變化率非常大，幾近沿半徑方向滑動，所以中心滾刀除承載刀盤推力和滾動阻力外，還要承受很大的向心力，中心滾刀受力以扭轉和沿刀盤徑向滑擦為主，這一點在滾刀配置時要充分考慮。目前在豎井刀盤上常安裝單支點中心刀以減少中心刀的滑動磨損。而在盾構機刀盤的中心刀承受刀盤推力較大，常用同規(guī)格的雙刃盤形滾刀，內部安裝四列承載軸向力較大軸承來滿足其受力需要。（2）正面區(qū)刀具受力和使用特點）正面區(qū)刀具受力和使用特點 該區(qū)處于中心區(qū)和邊沿區(qū)之間，工作

36、時刀具正對著掌子面，其受力情況與中心刀基本相同，不同的是遠離刀盤回轉中心，有較大的轉彎半徑，也就是說曲率半徑較大，所受向心力較小，大部分滾刀是以純滾動工作為主，切向速度與邊滾刀相比也比較低，又有足夠的布置空間，所以該區(qū)布刀容易，一般常把滾刀和刮刀配合布置，刀具使用壽命也長。在硬巖中掘進時，正面區(qū)布刀應盡量使各刀具磨損均勻、盡量使?jié)L刀純滾動,這時無論是軸承壽命還是刀圈壽命都比較高。 （3）邊緣區(qū)刀具受力和使用特點）邊緣區(qū)刀具受力和使用特點 該區(qū)刀具位于刀盤的邊沿，其刀具的安裝要從正對掌子面逐漸過渡到切削隧道內壁。其安裝如下圖示：可以看出，邊滾刀的受力從全部受正壓力到逐漸加大軸向受力，當安裝傾角大

37、于45角時，以受軸向力為主，所以邊滾刀安裝角不易40邊滾刀安裝示意圖 大于45。每把邊滾刀受力都不一樣，除受上述分析的三向力之外，還要受沉積到底部沒有排出的巖渣產(chǎn)生的擠壓力，刀具受力非常復雜。同時邊滾刀的自轉速度和公轉線速度也較高，根據(jù)動力學原理，可把滾刀作為一個質點，則它的動量MV（M為滾刀質量，V為滾刀線速度）就比較大，當遇到大塊巖石撞擊時，會產(chǎn)生很大的沖量，會對邊滾刀造成致命的損壞。邊滾刀除要承擔大量的破巖外，還要保證開挖直徑，所以邊緣區(qū)布刀是刀盤布刀的關鍵，常常布刀量比較多，有些公司還對刀圈形狀和刀體進行特殊設計，并制做成專用邊滾刀，以滿足施工需要。 合理使用刀具合理使用刀具2.1 建

38、立刀具檔案建立刀具檔案 在每一工程掘進施工開始時，就對每個刀位的刀具建立檔案，記錄安裝日期，掘進進尺，更換的時間，修理時更換的零件及日期，修理內容等，同時記錄相鄰刀具的更換狀態(tài)和相鄰刀具高差，盡量按標準更換和按時更換，只要規(guī)定的使用壽命到期，外觀還沒有完全報廢也應更換，避免刀具內部帶病使用，一個周期不到就提前損壞，給相鄰刀具帶來超負荷使用造成損壞，甚至造成刀盤磨損。2.2 制定科學的換刀計劃制定科學的換刀計劃 刀具的壽命在施工過程中因地質條件的變化而變化，每項工程的施工過程中，其刀具的耐用度是不同的，在一項工程開工后，應根據(jù)工程地質報告和在初期掘進過程中采集裝置采集到的各種掘進參數(shù)進行分析，（

39、與刀具磨損相關的參數(shù)包括：掘進速度、總推力、刀盤總扭矩、刀盤轉速、進尺等）通過參數(shù)分析，預測刀具的磨損狀況，統(tǒng)計找出能反映刀具變化的一個合理周期，制定出科學的換刀計劃，盡 可能做到主動換刀，避免被動換刀，也就是在施工整備時間內換刀。這就要求準確判斷刀具狀態(tài)，既不盲目更換，增加刀具消耗，又力求減少在施工中出現(xiàn)刀具漏油、軸承損壞、刀圈偏磨、斷裂、螺栓斷裂或松動等不允許存在的故障現(xiàn)象，從而減少掘進中被迫停機進行刀盤檢查和刀具更換的現(xiàn)象。2.3 正確使用刀具正確使用刀具 首先要嚴格控制裝機刀具質量，保證進洞的上機刀具都符合刀具相關標準要求，做到正確使用刀具也是減少刀具消耗的重要因素之一，以盤形滾刀為例

40、應從以下幾方面考慮： （1）合理使用刀圈）合理使用刀圈 在施工中，刀圈的使用量大，且價格比較貴，據(jù)統(tǒng)計隧道掘進硬巖施工中刀圈費用占刀具費用的30%左右，因此，使刀圈得到充分利用，盡可能使每個刀圈的實際磨損量大于允許磨損量，是減少刀圈消耗的重要條件，這就要求在掘進時充分保證每把滾刀的負荷平衡，控制推進速度平穩(wěn)，轉速適宜本項目特點，使刀盤不偏載，刀圈不弦磨，刀盤推力適宜才能保證刀圈的充分利用。 （2 ）合理使用軸承）合理使用軸承 充分發(fā)揮軸承的使用壽命。現(xiàn)在盤形滾刀使用的軸承大都是進口美國鐵姆肯公司生產(chǎn)的錐面滾子軸承，價格昂貴，軸承消耗量大，在硬巖掘進施工中,據(jù)統(tǒng)計刀具軸承費用占刀具消耗費用的15

41、%左右，按國外滾刀有關技術規(guī)程，刀具軸承的使用壽命為564小時，前已述及，適當減小軸承負荷，可以大大提高軸承壽命，因此要適當控制軸承負荷，也就是要控制刀盤推力，使其與其它相關刀具零件處于相當?shù)慕?jīng)濟壽命，同時要保證軸承裝配時的預緊量，能夠減少軸承的消耗。 （3 ）合理使用密封）合理使用密封 滾刀內部的金屬浮動密封，由于其結構特點是成對使用，工作過程中自動形成滑動密封副，具有不可重復拆裝使用的特性，據(jù)統(tǒng)計在硬巖掘進施工中，刀具密封費用占到了刀具費用的10%左右。合理使用浮動密封的關鍵是裝配維修時，保證刀蓋給浮動密封施加的壓力適當，一般以每對浮動密封上加壓后10N.m的扭矩為宜，過大會加快密封的摩擦

42、，降低使用壽命，也是較低刀具費用的重要途徑之一。（4）合理使用刀體、刀蓋）合理使用刀體、刀蓋 刀體、刀蓋在刀具使用中不能算易損件，但這幾種零件相對較大，造價也較高，使用中往往發(fā)生不同程度的不正常變形損壞，這主要和工程地層條件關系較大。最好是根據(jù)項目地質情況，由刀具供應廠家有針對性的改進這些零件的材料和熱處理性能，提高其適應性，同時對這些損壞零件制定出正確的判定標準和檢測方法，進行恢復性修理，也能減少這些零件的消耗。 （5）加強規(guī)范操作，減少事故性刀具損壞）加強規(guī)范操作，減少事故性刀具損壞 經(jīng)對有的工程施工調查發(fā)現(xiàn)，有時為了提高效率趕工期，加大推進力和提高刀盤轉速，特別是在不均勻地質段推進過快等

43、原因，或者是地層不穩(wěn)，應采取防范措施而未采取，造成刀具的意外損壞的情況也時有發(fā)生，這時損壞的刀具往往不是一把，而是一批，有時甚至很嚴重，難于修復。加強規(guī)范操作和施工管理，制定科學的操作施工參數(shù)，也能減少事故性刀具的損壞。 比如刀盤的回轉速度在理論上是以邊滾刀轉速每分鐘100轉為計算基礎的。刀盤回轉速度n可用以下近似公式表示： n= 100d / D， 式中：D-隧道掘進直徑， d-為滾刀直徑。 一般的講，在給定地質條件和刀具推力的情況下，刀盤直徑越小，刀盤轉速可以相對提高；滾刀直徑增大，刀盤轉速可以相對提高；刀盤直徑（掘進孔徑）越大，所選盤形滾刀的直徑也應越大。（6） 刀具的定期檢查刀具的定期

44、檢查 刀具在掘進施工過程中因地質條件的變化，其刀具的耐用度是不同的，在一項工程開工以后，應根據(jù)在初期掘進過程中制定的換刀計劃和掘進參數(shù)，預測刀具的磨損狀況。也就是利用掘進機上配備的數(shù)據(jù)采集裝置采集與刀具磨損相關的參數(shù)進行分析，通過分析掘進速度或刀盤總扭矩的理論值與當前實際值之間的偏差值來判斷刀具的磨損狀況，在換刀計劃之內統(tǒng)計 找出一個能反映刀具變化的合理周期進行刀具檢查（這個周期一般比換到計劃周期短，也應在施工整備期內進行），可以實現(xiàn)在施工過程中及時發(fā)現(xiàn)刀具的磨損狀況，對還沒有達到換刀計劃周期但已經(jīng)磨損或失效的刀具及時進行更換，以免導致刀圈超量磨損、斷裂、軸承異常損壞甚至引起相鄰刀具的損壞，造成嚴重事故的發(fā)生。 刀具的常見失效形式刀具的常見失效形式3.1 刀具常見失效形式刀具常見失效形式（1）刀具正常磨損）刀具正常磨損 滾刀在進行掘進時,掘進進尺速度與其刃口寬度有關。隨著滾刀刀圈磨損量的增加,刃口寬度隨之增加,達到一定范圍時會影響掘進速度,由于受到刀圈加工工藝的限制,而且新裝刀圈與齒刀之間有一定的高差（各刀盤設計的高差值不同），所以當正滾刀 與中心刀最大磨損量為達到與齒刀規(guī)定的高差時為正常磨損，而邊緣滾刀則因隧道直徑差及所處位置的要求,其磨損極限一般為15mm。正常磨損是刀具失效的主要形式,其磨損形狀為在刃口寬度范圍內磨損較均勻，不偏磨、不弦磨。（ 2