浅谈单护盾TBM刀具的磨损

高海杰，王 耀，吴越斌

GAO Hai-jie, WANG Yao, WU Yue-bin

（北方重工集团有限公司 盾构机分公司，辽宁 沈阳 11041）

1 工程概况

引洮供水一期工程总干渠7＃隧洞工程区位于甘肃省渭源县境内，7＃隧洞出口距离兰州市区约184km。7＃隧洞全长17286m，横断面形式为圆型，净断面尺寸(直径)D=4.96m，设计纵坡均为1/1650，设计流量32m3/s，加大流量36m3/s。

7＃隧洞围岩主要由上第三系（N2L3）泥质粉砂岩、粉（砂）质泥岩、砂砾岩、（含砾）砂岩、疏松砂岩等组成，岩性软弱，互层状分布，相变剧烈。岩层产状平缓，受构造影响轻微，断裂裂隙不发育，仅发育舒缓短轴褶皱，总体上富水性较差。隧道碴土性状：砖红色泥岩，干燥无水，碴土多数呈碎片状，最大块径约为15cm。工程地质条件判断：V，岩性较坚硬。地下水情况:无。

2 单护盾TBM盘形滚刀的刀具磨损分析

单护盾TBM的刀盘及刀具的整体布置图如图1所示。

图1 刀盘刀具整体布置图

盘形滚刀是为开挖岩石的硬度大于12个硬度单位的工况而设计的。承受循环正应力，滚刀切削部分的材料应具有HRC(洛氏硬度)50～60之间的高硬度。引洮单护盾TBM使用的刀圈是意大利palmieri的品牌。标注钢刀圈的硬度400kg/cm2。

2.1 滚刀受力及破岩机理

滚刀在滚压岩石的过程中，刀刃与岩石之间主要都存在两个方向相互作用力。

1）法向推压力FN，指向开挖面，由刀盘的推力提供。

2）切向滚动滚压力FR，指向滚刀切向，由刀盘转矩提供。

切向滚动滚压力主要取决于推力、贯入度及滚刀直径。盘刀直径一定，贯入度越大，所需滚动滚压力越大；贯入度确定时，滚动滚压力随盘刀直径的增大而减小。

TBM工作时，滚刀在推力作用下紧压在岩面上，随着刀盘的旋转，盘形滚刀一方面绕刀盘中心轴公转，同时绕自身轴线自转。盘形滚刀在刀盘的推力和转矩共同作用下，在掌子面上切出一系列同心圆沟槽。刀盘旋转并压入岩石的过程中，滚刀对岩石将产生挤压、剪切、拉裂等综合作用，使之成为岩石碎片，达到开挖的目的。

2.2 引洮单护盾TBM掘进情况

表1中TBM各个参数的匹配，为寻求掘进的最佳速度以及对滚刀刀圈磨损量的计算提供依据。

表1 TBM掘进参数

TBM施工中17英寸滚刀换刀要求：M1～M35磨损量达到25mm；M36～M38磨损量达到20mm；M41、M42磨损量达到20.5mm。

下面以施工里程K63+216～K62+003中的一段进行分析，中心滚刀轨迹M01～M08，刀具磨损量1～4.5mm；正滚刀轨迹M09～M38，刀具磨损量3～7.5mm；边滚刀轨迹M40～M41,刀具磨损8～10.5mm。

滚刀轨迹M01～M42是一组同心圆（图2），刀盘转一圈各个滚刀的行程S=2πR(R是滚刀中心线到刀盘轴线的垂直距离)。

图2 滚刀轨迹布置图

根据以上数据总结：①中心滚刀行程最小，磨损率最小；边刀行程最大，磨损率最大，刀具磨损量基本符合由中心到边缘增大的趋势；②相邻两把刀的高差应控制在15mm左右，最大不超过25mm，目的是减少相邻刀具之间所受推力的不平衡，而这种不平衡力有时可能是刀具承受正常受力的几倍，使盘形滚刀的损坏几率增加；③刀圈的磨损极限为15～25mm。中心滚刀换刀时以4把为一组(其中有一把滚刀的刀圈磨损超过25mm时就可以换刀)；边刀发现磨损刀毂，刀圈磨损小于20mm时也可以考虑换刀，边刀的更换频率较大，刀圈要选择硬度更强的材料；④更换刀具后要控制掘进速度，3个掘进循环后必须检查刀具螺栓，来保护边滚刀不受磨损。

2.3 盘形滚刀刀圈失效分析

刀圈是影响滚刀工作寿命的关键易损件之一，它直接接触破碎岩石，刀圈破岩时，承受的力由径向力、轴向力、切向力组成，在刀圈受载滚动侵入岩石时，首先通过刀圈刃角，利用刀圈推力挤压破碎岩石，产生岩石破碎体；其次刀刃嵌入岩石形成凹槽，挤压离在凹槽两侧形成拉力剪力破坏岩石。

引洮单护盾TBM使用的刀圈是平韧刀圈，它的材料是高钛钢，具有硬度高、不磨损、不变形。单护盾TBM现场掘进施工情况的分析，刀圈磨损失效主要情况有：正常磨损、弦磨、偏磨、刀圈断裂、刀圈脱落和由于挡圈损坏造成刀圈损坏。引洮单护盾TBM现场掘进施工刀圈磨损主要原因是正常磨损，但也会遇到刀圈弦磨的情况。

2.4 整刀刀具失效分析结论

刀具的正常失效原因是由于冲击载荷引起的，主要包括：轴承损坏、刃磨、崩刃、刀体磨损、端盖损坏、紧锁块损坏和螺栓预紧失效而产生的失效。

刀具的非正常失效有：润滑油漏出、浮动密封损坏、泥砂进入轴承造成的轴承失效、刀圈材质及金相组织不好造成的断裂以及热处理没有达到技术要求造成的压溃和卷边等。

3 盘形滚刀刀具磨损解决办法

在刀具装配过程中，严格按照装配工艺实施，轴承的预紧力矩要符合规定数据，润滑和密封都要可靠，在现场安装刀座时，必须拧紧螺栓至规定扭矩。应对刀圈的机械性能进行严格检查；如金相组织检查，无损探伤，硬度测试等。

在换刀过程中，检查刀座是否产生裂纹，螺栓是否松动，刀刃是否出现刃崩，磨损是否超过规定。焊接挡圈时，上面放置一块铜制的引弧板来引弧，还以防止电火花打在刀圈上。根据工作面的地质情况和岩石的物理性质及时调整掘进机的推进压力和掘进速度。 O