盾構(gòu)刀具磨損分析課件

1、盾構(gòu)刀具磨損分析盾構(gòu)刀具磨損分析盾構(gòu)刀具磨損分析主要內(nèi)容研究背景盾構(gòu)刀具類(lèi)型及切削機(jī)理刀具磨損分析刀具的布局及配置LabVIEW分析刀具布局及壽命結(jié)論與展望22020/12/1盾構(gòu)刀具磨損分析盾構(gòu)刀具磨損分析盾構(gòu)刀具磨損分析主要內(nèi)容研究主要內(nèi)容研究背景盾構(gòu)刀具類(lèi)型及切削機(jī)理刀具磨損分析刀具的布局及配置LabVIEW分析刀具布局及壽命結(jié)論與展望2020/12/12主要內(nèi)容研究背景2020/12/121、研究背景伴隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市建設(shè)快速發(fā)展，城市規(guī)模不斷加大，城市交通呈急劇增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，21世紀(jì)將是中國(guó)城市軌道交通的新紀(jì)元，經(jīng)濟(jì)發(fā)展將會(huì)伴隨更大的都市化，地鐵交通的建設(shè)將促使城市的發(fā)展

2、，甚至成為一個(gè)急迫的任務(wù)。盾構(gòu)機(jī)在隧道施工中，通過(guò)刀盤(pán)刀具對(duì)前方土體進(jìn)行切削，刀具與土體的適應(yīng)程度至關(guān)重要。刀盤(pán)刀具于前方土體不適應(yīng)，將使盾構(gòu)掘進(jìn)非常緩慢甚至寸步難行，直接影響到盾構(gòu)機(jī)的工作效率、工程進(jìn)展及工程的經(jīng)濟(jì)效益。2020/12/131、研究背景伴隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市建設(shè)快速發(fā)展由于刀具是易損件，消耗量大，如果只是依靠進(jìn)口刀具不僅供貨期長(zhǎng)，而且成本高，所以使用國(guó)產(chǎn)刀具勢(shì)在必行。在掌握盾構(gòu)刀具切削機(jī)理和深刻認(rèn)識(shí)刀具磨損相關(guān)因素的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同的施工地質(zhì)進(jìn)行刀盤(pán)刀具的選擇、刀具的布置等盾構(gòu)掘進(jìn)設(shè)備最關(guān)鍵、最核心的問(wèn)題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的國(guó)產(chǎn)化就顯得尤為必要。 2020/12/14

3、由于刀具是易損件，消耗量大，如果只是依靠進(jìn)口刀具不僅供貨期長(zhǎng)2、盾構(gòu)刀具類(lèi)型及切削機(jī)理對(duì)于不同地層的開(kāi)挖，盾構(gòu)的刀具通常采用不同型式：開(kāi)挖地層為硬巖時(shí)，采用盤(pán)形滾刀；地層為較軟巖石時(shí)，采用齒刀；地層為軟土或破碎軟巖時(shí)，可采用切刀(或刮刀)。卵石層(N40)砂礫卵石(10N40)洪積土(砂質(zhì)土)(10N25)沖擊粘土(0N10)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)2020/12/152、盾構(gòu)刀具類(lèi)型及切削機(jī)理對(duì)于不同地層的開(kāi)挖，盾構(gòu)的刀具通常刮刀先行刀盤(pán)圈貝型刀周邊刮刀齒刀齒刀滾刀周邊刮刀2020/12/16刮刀先行刀盤(pán)圈貝型刀周邊刮刀齒刀齒刀滾刀周邊刮刀2020/1 雙刃滾刀 單刃齒刀 雙刃齒刀 邊緣刮刀 超挖刀

4、正面區(qū)刮刀 2020/12/17 雙刃滾刀 單刃齒刀 雙刃齒刀 邊緣刮刀 2.1 各種刀具介紹（1）刮刀 刮刀用來(lái)切削各種砂土、粘土等較松散的地層及全風(fēng)化巖層等其它未固結(jié)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(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的磨損。邊緣刮刀則用來(lái)校準(zhǔn)盾構(gòu)的開(kāi)挖直徑。2020/12/182.1 各種刀具介紹（1）刮刀2020/12/18（2）超前刀（或先行刀）顧名思義，即為先行切削土體的刀具，。超前刀在設(shè)計(jì)中主要考慮與切削刀組合協(xié)同工作。超前刀斷面一般比切削刀斷面小。采用超前刀，一般可顯著增加切削土體的流動(dòng)性，大大降低切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，減少切削刀的磨耗。2020/12/1

5、9（2）超前刀（或先行刀）顧名思義，即為先行切削土體的刀具，（3）魚(yú)尾刀 采用大刀盤(pán)全斷面切削土體，布置在刀盤(pán)不同位置的切削刀，從刀盤(pán)外周至中心，運(yùn)動(dòng)圓周逐漸減小，土體流動(dòng)狀態(tài)也是越來(lái)越差。而且中心支撐部位(直徑約1.5 m)不能布置切削刀，為改善中心部位土體的切削和攪拌效果，可考慮在中心部位設(shè)計(jì)一把尺寸較大的魚(yú)尾刀。2020/12/110（3）魚(yú)尾刀2020/12/110（4）仿形刀盾構(gòu)施工時(shí)，可以根據(jù)超挖多少和超挖范圍的要求，從輻條兩端徑向伸出和縮回仿形刀，達(dá)到仿形切削的目的。仿形刀伸出最大值一般在80130mm之間。盾構(gòu)機(jī)在曲線(xiàn)段推進(jìn)、轉(zhuǎn)彎或糾偏時(shí)，通過(guò)仿形超挖切削土體創(chuàng)造所需空間，保證

6、盾構(gòu)機(jī)在超挖少、對(duì)周邊土體干擾小的條件下，實(shí)現(xiàn)曲線(xiàn)推進(jìn)和順利轉(zhuǎn)彎及糾偏。2020/12/111（4）仿形刀2020/12/111（5）盤(pán)圈貝型刀 盤(pán)圈貝型刀實(shí)質(zhì)上是超前刀，盾構(gòu)機(jī)穿越砂卵石地層，特別是大粒徑砂卵石地層時(shí)，若采用滾刀型刀具，因土體屬松散體，在滾刀掘進(jìn)擠壓下會(huì)產(chǎn)生較大變形，大大降低滾刀的切削效果，有時(shí)甚至喪失切削破碎能力。采用盤(pán)圈貝型刀，將其布置在刀盤(pán)盤(pán)圈前端面，專(zhuān)用于切削砂卵石。采用盤(pán)圈貝型刀可較好地解決盾構(gòu)機(jī)切削土體的難題。2020/12/112（5）盤(pán)圈貝型刀2020/12/112 （6）齒刀 在巖石較軟的情況下掘進(jìn)時(shí)，由于盤(pán)形滾刀與巖石掌子面之間不能產(chǎn)生一定的附著力，因此應(yīng)

7、將部分盤(pán)形滾刀更換成齒刀，利用齒刀進(jìn)行破巖。由于齒刀上裝有2個(gè)切削刃，因此刀盤(pán)正反轉(zhuǎn)時(shí)齒刀都能進(jìn)行破巖。2020/12/113 （6）齒刀2020/12/113（7）滾刀滾刀按照刃的數(shù)量不同可分為單刃滾刀、雙刃滾刀和三刃滾刀，常用于各類(lèi)軟、硬巖石及砂卵石地層的隧道開(kāi)挖。2020/12/114（7）滾刀2020/12/1142.2 滾刀受力分析 對(duì)于在砂卵石地層掘進(jìn)時(shí)，由滾動(dòng)受力示意圖可以看出，阻止?jié)L刀轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩主要由三部分組成，土倉(cāng)內(nèi)渣土的摩擦阻力力矩，刀箱內(nèi)渣土的阻力力矩和滾刀的啟動(dòng)力矩(大小為3050Nm)。2020/12/1152.2 滾刀受力分析 對(duì)于在砂卵石地層掘進(jìn)時(shí)，由滾動(dòng)受力2.

8、3 滾刀破巖過(guò)程b 破碎階段a 擠壓/起裂過(guò)程 2020/12/1162.3 滾刀破巖過(guò)程b 破碎階段a 擠壓/起裂過(guò)程 20203.1 滾刀的磨損形式盾構(gòu)施工中，滾刀的磨損分為兩大類(lèi)：正常磨損和非正常磨損。正常磨損刀圈移位刀圈斷裂刀圈偏磨3、刀具磨損分析2020/12/1173.1 滾刀的磨損形式盾構(gòu)施工中，滾刀的磨損分為兩大類(lèi)：正常3.2 刀具壽命計(jì)算通常盾構(gòu)刀盤(pán)外圈刀具的磨損量由下式計(jì)算 ： 式中， 磨損量(mm)； K磨耗系數(shù)(mm/km)； D盾構(gòu)刀盤(pán)外徑(m)； N刀盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度(r/min)； L掘進(jìn)距離(m)； V掘進(jìn)速度(cm/min)。2020/12/1183.2 刀具壽命

9、計(jì)算通常盾構(gòu)刀盤(pán)外圈刀具的磨損量由下式計(jì)算磨耗系數(shù)土壓平衡式盾構(gòu)機(jī) 粘土砂砂礫刀頭材質(zhì)4-1515-2525-45E-52-7.57.5-12.512.5-22.5E-31.37-5.17 5.17-8.68.6-15.5E-22020/12/119磨耗系數(shù)土壓平衡式盾構(gòu)機(jī) 粘土砂砂礫刀頭材質(zhì)4-1515-2掘進(jìn)過(guò)程中總推力、總扭矩與掘進(jìn)速度之間的關(guān)系，計(jì)算如下式所示式中： 為總扭矩， 為總推力， 為掘進(jìn)速度，n 為刀盤(pán)轉(zhuǎn)速， 為阻力，、為待求參數(shù)。采用回歸方法求出 、 、 ,代入式得到：3.3 刀具磨損檢測(cè)方法掘進(jìn)參數(shù)法 2020/12/120掘進(jìn)過(guò)程中總推力、總扭矩與掘進(jìn)速度之間的關(guān)系，計(jì)

10、算如下式所示3.4 減少刀具磨損的措施 3.4.1 換刀條件： 1）達(dá)到磨損極限：2）刀圈斷裂、平刀圈、刀體漏油、刀 圈剝落、擋圈斷裂或脫落、刀軸或 刀體損傷 3）相鄰刀具的磨損量之差大于15mm時(shí) 2020/12/1213.4 減少刀具磨損的措施 3.4.1 換刀條件：2023.4.2 減少刀具磨損的措施(1)改善刀盤(pán)與刀體的耐磨性(2)施工工藝措施 ：選擇合適的添加劑改良材料 ；適當(dāng)調(diào)整掘進(jìn)速度及轉(zhuǎn)速等； 合理的交替使用刀盤(pán)正、反轉(zhuǎn) ；自立性好的地段采用適當(dāng)?shù)臏p壓施工措施；采用長(zhǎng)、短刀(主、副刀)具并用法切削土體；選擇恰當(dāng)?shù)亩軜?gòu)刀具幾何參數(shù)，恰當(dāng)?shù)牡毒?布置方式 2020/12/1223.

11、4.2 減少刀具磨損的措施(1)改善刀盤(pán)與刀體的耐磨性24 、刀具的布局及配置4.1阿基米德螺線(xiàn)布置刀具在刀盤(pán)上的布置方式主要有阿基米德螺線(xiàn)布置法和同心圓布置法，但目前采用較多的是阿基米德螺線(xiàn)布置法。阿基米德螺旋線(xiàn)極坐標(biāo)的描述為：式中，極軸（mm）極軸初始值(mm) 常系數(shù) 極角（）螺距：2020/12/1234 、刀具的布局及配置4.1阿基米德螺線(xiàn)布置螺距：2020/盾構(gòu)機(jī)外徑 刀盤(pán)切削外徑 內(nèi)圈輻條數(shù)目 中心刀長(zhǎng)度 主切削刀頭寬度 刮刀刀頭寬度 主切削刀的數(shù)量 對(duì)上式取整后得到 主切削刀與中心刀重疊量為 最小螺線(xiàn)間距為 由上式得到常系數(shù) 2020/12/124盾構(gòu)機(jī)外徑 主切削刀的數(shù)量2020/12/1245、軟件分析刀具布局及壽命2020/12/1255、軟件分析刀具布局及壽命2020/12/1252020/12/1262020/12/1262020/12/1272020/12/1276、結(jié)論與展望 盾構(gòu)刀具研究