延长盾构机刀具使用寿命的措施

陈立和

盾构机配件中,刀具由于掘进磨损和承受掘进压力的作用,属于盾构机施工中的易损易耗件,使用进口的刀具进行盾构机施工:1)国外进口刀具价格昂贵;2)往往进口刀具都有一定的周期,掘进地层土质又发生不断变化难以预料,提前配置有盲目性,临时购买则会影响整个工期。同时在工程砂卵石层进行盾构施工,其中最重要的是要保持掘进面的稳定和延长刀具的使用寿命。本研究项目收集各方面资料,并根据本人已经参与的工程研究在砂卵石层施工时盾构机刀盘的设计要点,保持掘进面稳定的方法,以及根据施工刀具的使用性能和磨损规律,结合刀具的受力情况和金相分析,总结刀具的失效原因,然后研制出适应不同工况的刀具。

1 盾构机施工过程中刀具磨损的原因分析

我们知道,盾构机掘进在破岩过程中,刀具承受了很大的径向力与侧向力,使得刀圈刃尖因剧烈摩擦和冲击急剧磨损而降低使用寿命,为此必须经常进行检查更换,经统计红花套、黄石盾构机隧道检查刀具与换刀时间,分别占隧道工程掘进时间的19.5%,22%,费用成本占有18%～23%,不但增加人财物的消耗量和刀具更换的工作量,降低了有效工作时间,增加了施工风险,还直接导致单位掘进成本的提高。

1.1 盾构机刀具的种类与用途

我们将以AVN2440DS盾构机进行探讨,AVN2440DS盾构机刀盘上装有一组刀具,其中由7个单滚刀、6个双滚刀、5个中心滚刀,4组刮刀24把组成。刮刀:刮刀适用于软土及一些混有或交替夹有软岩的地质,其切削方式是通过对土体铲切实现对掘进面开挖,刮刀切削土层与软岩层更容易。盘形滚刀:盘形滚刀通过刀盘转动,滚刀在盾构机推进力的作用下,通过刀具对掘进面岩体转动挤压,对岩石表面挤切一个槽,同时在剪切力的作用下造成岩石开裂破碎。

1.2 刀具磨损的影响因素

在盾构机推进力作用下刀具对开挖面土体产生一定压力。随着刀盘的旋转,刀具与土砂磨料摩擦,从而产生磨损。刀具的磨损与地质条件、刀具材质及其在刀盘上的安装位置有关,并且随着刀具掘削里程的增加而增大。布置在刀盘周边的刀具由于线速度大,切削路线长,因而磨损快、易折断、寿命短。刀具损坏的主要形式有刀具的磨耗和脱落。刀具的磨耗受材质、硬度、作用的推力以及地质条件和刀具切入深度、速度、时间的影响;刀具脱落主要与安装方法有关,施工时也受刀柄的磨耗和砾石、障碍物的影响。盾构机在掘进中会遇到各种不同地层,从淤泥、黏土、砂层、砂卵石层到软岩及硬岩等。开挖过程中刀具受力复杂,工作环境恶劣。刀具的磨损与施工地层密切相关。淤泥质黏土、粉质黏土、粘质粉土等地层对刀具的磨损很小,而砂土、砂卵石砾石地层对刀具的磨损十分严重,甚至使刀具折断。这种情况在已经施工的工程中得到了印证。

1.2.1 刀圈断裂

刀圈选用材质与地质岩性不适用,当岩石抗压强度较高时,对刀圈的自身硬度要求也较高,刀圈抗冲击性能也随之下降,将造成刀圈断裂,称为冲击疲劳断裂。同时配合间隙过盈量超过规定值时,在掘进中因刀具内外温度相差较大,将会造成刀圈断裂,称为内应力断裂。在掘进过程中刀具冷却效果不好,特别是在淤泥、黏土地质或岩石断裂带夹层造成刀具被包裹,将会造成刀圈断裂,称为内应力断裂。

1.2.2 轴承损坏与刀圈偏磨

刀具密封效果差,包括有密封配合间隙、橡胶弹力与硬度、机械密封平面度、机械密封面硬度与耐磨性能等,泥砂进入刀具内部造成轴承损坏后,刀圈产生偏磨;润滑脂热膨胀系数超过规定,在刀具受热时密封油脂外溢,冷却降温时泥水进入刀具轴承内,或是装配时内部空气没有排尽,造成轴承损坏后刀圈偏磨;刀具转动部件装配间隙不合理,刀圈转动扭矩超过规定值时,轴承加速磨损而损坏;转动扭矩低于规定值时,造成密封与密封面之间自由间隙过大,密封失效,泥水进入,造成轴承损坏后刀圈偏磨。

1.2.3 滚刀壳体变形磨损

刀具壳体表面硬度低于基岩抗压强度,破碎后的岩石、砂砾石对刀具壳体长时间冲击,造成壳体变形损坏;刮刀基材或表面硬度低于基岩抗压强度,破碎后的岩石、砂砾石对刀具壳体长时间冲击,造成壳体变形损坏;采用压入式装配时,装配过盈量未达到规定要求,在受到交变冲击时松动后脱落;采用焊接时,刀齿与基体焊接出现虚焊、夹渣,造成焊接不牢固,在受到交变冲击时松动后脱落。

1.2.4 刮刀合金齿脱落

合金齿硬度与抗冲击性能,与掘进地质岩性不相适应,合金齿硬度偏高而抗冲击性差,在受到冲击时易造成合金齿断裂;在安装时螺栓扭矩未达到额定扭矩,造成螺栓松动最后断裂,刀具脱落;滚刀总成脱落后或较大较硬的岩石块对刮刀撞击,造成螺栓断裂后刀具脱落。

2 延长盾构机刀具使用寿命的措施

2.1 严格刀具制造流程

刀具生产加工必须制定一套科学合理的制造工艺,刀具制造工艺是控制刀具质量的关键。

2.1.1 滚刀的制造

盾构机滚刀完全按照掘进地质选用碳钢经表面渗碳处理,刀圈采用热煅一次滚压成型工艺,使刀具材料内部金相组织结构更加均匀致密,减少刀圈的断裂,同时在表面形成一定厚度的硬化层,具有高耐磨、抗冲击性能。选用优质热膨胀系数小的润滑油脂,同时在刀具内部安装有润滑油补偿装置,在一定温度变化范围内确保刀具的正常润滑与油脂的补充。经使用对比效果显著。由于滚刀在掘进过程中承受比岩石层抗压强度高8 MPa～12 MPa,当岩石硬度超过60 M Pa时,刀圈硬度HRC 65～70,如果刀圈采用合金材料制造时,其内外硬度是一致的,具有较好的耐磨性,但抗冲击性能明显下降,不利于TBM的破岩。根据经验总结及材料机理分析,当岩石抗压强度达到或超过55 MPa时,刀具材料应选用高碳钢,表面采用高温气体渗碳达到相对硬度,形成外硬内软,具有较好耐磨性、抗冲击性能,而不适于选用合金钢作为刀圈制造材料或刀圈采用中碳钢表面镶嵌合金齿,以满足破岩性能的要求。

2.1.2 刮刀的制造

根据进口刮刀在使用中易造成变形,通过物化性能分析,刮刀基材为45中碳钢或20低碳钢加工而成,表面硬度HRC 22～28,未作任何表面处理,因此在受到岩石或卵石冲击时极易产生变形。在国产刮刀生产时,做了以下制造工艺调整:材料由原来的低碳钢改为中碳钢,基材表面硬度HRC 32～36;在冲击面与棱角部位补焊0.25～0.32耐磨合金层。

2.2 合理选择刀具

不同地质应选用不同材质、生产工艺的刀具,如果同一种刀具用于不同地质,刀具的使用寿命将会受到严重影响;在软地层掘进中要求刀具具有较好的抗磨性、硬度比岩石抗压强度高10 MPa～15 MPa;在硬岩掘进中,要求刀具有良好的耐磨性、抗冲击性。

2.3 严格刀具加工与密封

刀具生产加工工艺对刀具使用寿命的影响,煅造与热处理工艺的影响最为重要,生产过程中工艺控制将直接造成金属材质的内部缺陷,在刀具受到冲击、振动、压力的作用下,内部缺陷将形成微小裂纹而不断延伸与扩展,最终造成断裂,控制好刀具生产工艺可以显著的提高刀具的寿命。同时刀具密封是影响刀具使用寿命的主要原因之一,由于密封的早期损坏,造成刀具轴承损坏与刀圈偏磨、壳体损坏及整个刀具总成的报废,选择正确的密封形式是保证滚刀寿命的一个重要因素。

总之,盾构机施工在我国还处于刚刚起步阶段,随着经济的发展,会有越来越多的穿越工程选择盾构机形式,不管在何种形式的盾构机施工中,刀具研究技术一直是盾构机应用的关键因素。

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