TBM掘进机盘型滚刀的研制

1、TBM掘进机盘型滚刀的研制 刘 春 (中国铁路工程总公司，北京 100055) 摘要：TBM刀具是关系TBM掘进速率的基本要素。通过对刀具工作条件的分析和研究，指出刀具寿命与岩石完整性及其在刀盘的位置相关；提出关于整刀及其刀圈、刀体、刀轴、托架、轴承、油封等部件选材、热处理和加工精度的技术指标要求以及相应试验方法和原则：最终以刀位系数作为刀具评价标准，选取优良刀具进行现场试验。 关键词：随道；施工设备；TBM掘进机；盘型滚刀；研制 自1997年我国引进TB880E掘进机(以下简称TB M)以来，已成功将其应用于秦岭、磨沟岭和桃花铺等隧道的掘进施工，提高了施工速度，降低了工程成本。但在施工实践中

2、，仍存在刀具消耗量大、更换耗时等问题。 掘进机使用盘形滚刀在岩面滚压破碎岩石，掘进成洞。作为破岩工具，盘形滚刀刀具磨损速率直接影响隧道掘进速度和掘进成本，尤其使用大直径TBM在硬岩中掘进，消耗盘形滚刀的数量更大，影响就更为突出。据统计1,TBM每掘进10.865km(直径8.8 m)，盘形滚刀破碎岩石66 xl04m3 使用各类盘形滚刀1201套，消耗各类刀圈4218个，更换刀具轴承2239套。为减少刀具消耗数量，降低购买成本，结合施工实际，开发研制了新型TB880E掘进机盘型滚刀。 1 TBM施工对盘形滚刀的使用要求 在掘进过程中，盘形滚刀要承受伴随破岩过程产生的高强度冲击与振动、剧烈摩擦和

3、温度的变化，造成刀圈磨损乃至断裂、密封损坏而漏油、轴承疲劳损坏和碎裂、联接螺栓松动或断裂等一系列损坏，使盘形滚刀失去破岩能力，必需更换与检查维修。 TBM施工对盘形滚刀提出以下使用要求： (1)刀圈必须具备高应力下的耐磨性和冲击韧性： (2)盘形滚刀必须具有较高的承载能力，在巨大压力和强烈振动的工况下能正常运转、破岩： (3)轴承有充分的润滑和可靠的密封； (4)盘形滚刀在刀盘上安装固定可靠，在振动与冲击的作用下，盘形滚刀螺栓不松动、断裂。 2 盘型滚刀工况 2.1 盘型滚刀在大刀盘上的布置 如图1所示，在TB880E刀盘上有6把中心刀、62把面刀（正滚刀）、3把边刀，共计71把刀 1 进行掘

4、进，另外还有2把扩孔刀，作为更换边刀时扩孔之用。 图1 盘型滚刀布置图 图2显示了正滚刀的组成：刀圈热压在刀体上，由挡圈保持了它的轴向位置，防止窜动；轴承提供刀圈切削过程中的被动回转功能，否则就会发生偏磨，它同时能承受正常状态下25t推力；两个端盖使滚刀成为一个整体，靠托架和楔形垫块安装在大刀盘上。 2 图2 正滚刀剖面图 2.2掘进机破岩机理 如图3所示，掘进机切削岩石的机理是：掘进时，盘型刀沿岩石开挖面滚动，通过大刀盘均匀地在每把盘型刀上对岩面施加压力，形成滚动挤压切削而实现破岩。大刀盘每转动一圈，盘型刀将切入一定深度，在盘型刀刀刃与岩石接触处，岩石被挤压成粉末，从这个区域开始，裂缝向相邻

5、的切槽扩展，进而形成片状石碴。 图3 掘进机破岩机理示意图 2.3 刀位磨耗标准 3 (2) 如图4显示：一把新的17英寸盘形滚刀其外径尺寸为432mm，切削中刀圈被磨耗，当顶高磨耗了38mm时(外径减小为356mm)，必须更换新的刀具。在换刀和进行刀具调位时，相邻两把刀的高差应控制在15mm左右，最大不超过25mm，以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10倍，使盘形滚刀的损坏概率增加。 图4 刀位磨耗标准图 分析得知，刀具磨耗高度不同状况下，切削效果有较大差异：经过计算，一把新的盘型滚刀以5mm切入深度(ip)切削岩石时，刀刃与岩石接触面积(Ac)是

6、1 076 mm2此时刀具对岩石产生的挤压应力()是232. 22 MPa。当盘刀在高度上的磨蚀量(t)为10 mm时，Ac=1 688. 51 mm2，= 148. 05 MPa：当t=30 mm时，Ac=2 207.5mm2，=113. 25 MPa; 当t=38 mm时，Ac=2 620.20 mm2，= 95.40 MPa。由此可以看出，当使用482 mm的盘型滚刀，刀圈高度上的磨耗量达30 mm时，刀刃与岩石接触面已为2 207.5 mm2的矩形面，它对岩面的挤压力已减少为113 MPa左右，此时刀具对岩石的切削转入以磨削为主，刀具的切削，作用大为降低，切削速度明显下降。 2.4 T

7、BM在不同围岩下切削时，刀具寿命不同从表1中可以看出，刀圈的消耗比率（即掘进百米时刀具消耗数）与岩石完整性成正比，即岩石的完整性越高，刀圈磨耗越快，例如Kv值越大（岩石越完整）、Jv越小（岩石单位体积的裂隙数少），则百米耗刀量就越大（而岩石抗压强度对刀具消耗的影响率相对要小一些）。 表l 刀具寿命表 (4) (3) 4 2.5 刀具在刀盘上的刀位不同，其磨耗率不同 图5是不同刀位下刀具磨耗统计图。从统计图上看出，中心刀及1号30号刀位的正滚刀，受力状态和磨耗相对小一些，而52号60号、63号65号刀位的工况要恶劣的多，消耗也大的多。 图5 不同刀位下刀具磨耗统计图 3 盘型滚刀研制内容 正滚刀

8、的研制包括刀圈研制，刀体、刀盖、刀轴、托架等主要零件的选材、加工，以及轴承、浮动密封、安装螺栓的选用。 3.1 刀圈 为保持刀圈良好的耐磨性和足够的韧性，刀圈的试制重点是刀圈材料选用及热处理方法的研究。 进口刀圈含碳量0.5%，是含有Cr、Mo、V、Si等合金元素的热作模具钢，钢材材质优良，刀刃断面流线清晰，硬度均匀，热处理后表面硬度HRC56-HRC58，截面硬度HRC54- HRC56，显微组织为回火马氏体及少量细小颗粒状碳化物。经对失效刀圈分析，认为刀圈发生崩裂，是由于巨大冲击造成，刀圈磨损主要是切削式挤压造成，属高压力碾压式磨料磨损。 对进口刀圈材料的化学成分分析和机械性能测试结果见表

9、2和表3。 5 表2 进口刀圈材料化学成分 w/% 表3 刀圈材料机械性能 为解决刀圈耐磨性和韧性的统一、协调关系，在生产工艺方面，采用模锻成形毛坯工艺，虽第一批投入较高，但提高了质量，降低了原材料消耗；同时进行刀圈碾压成形毛坯锻造工艺研究，设计出碾压模具和工艺流程，使刀圈毛坯流线分布合理，加工余量少，节省材料。此外，在精加工过程中和过程后进行100%探伤检查，加强探伤检测工作。 3.2 刀体、刀盖、刀轴、托架的选材、加工 刀体、端盖、刀轴等零件是盘形滚刀的主要加工件，它们承受很大的冲击载荷，除挡圈外均使用中碳合金钢制作，并经调质处理。在刀体加工中，注意控制安装轴承的两内孔的同心度、刀盖加工中

10、100 mm内孔与托架安装面的不平行度和刀轴两侧各4个M16螺孔的不同轴度的位置精度，使用专用夹具或数控机床进行加工。由于托架的外锥面与垫块的内锥面需配合使用，要求互换，因此除要求锥度准确外，还要求锥面高度误差不能大，必须用专用的测量工具测量。 3.3 轴承、浮动密封、安装螺栓的选用 TB880E型TBM的原装正滚刀与边刀均使用美国TIME KE公司生产的HH224310- HH224334型加重级圆锥滚子轴承，每把刀两套。轴承外径212. 725 mm，内径99.925 mm宽66. 675 mm额定动载荷63 t，额定静载荷90. 61 t。与试制的同类轴承进行试验。 TB880E型TBM

11、原装正滚刀、边刀、中心刀均使用德国7697 H2300浮动密封。该浮动密封尺寸227 6 mm X15 mm“0”型圈尺寸212 mm9.5 mm。与研制的同类浮动密封和“0”型圈进行试验。 安装正滚刀与边刀的M24 *230 - 10.9级螺栓工作条件恶劣，一旦松动或断裂，就会造成一把整刀的报废，使用量也大。经调研，选用上海标准件五厂M24 *230 - 12.9级和上海高强度螺栓厂M24*230 - 10.9级螺栓代替进口件装机使用。 3.4 轴承选用 在秦岭隧道混合片麻岩地段，其干抗压强度为150 MPa300 MPa，掘进机推力常保持为14 MN17 MN。进口轴承使用平均寿命为287

12、当量小时。试用的国产轴承为146当量小时257当量小时。试验数据如表4。 表4 秦岭隧道试验数据 在磨沟岭隧道石英云母片岩和大理岩地段，干抗压强度为120 MPa，掘进机推力常保持为7 MN15 MN后期为12 MN16 MN，进口轴承的使用寿命为600当量小时900当量小时，最高达到1 200当量小时。试用的国产轴承为606当量小时886当量小时，最高达到1 247当量小时，试验数据如表5。 表5 磨沟岭隧道试验数据 7 在正常使用条件下，轴承的失效是以滚动面上的疲劳损坏面积来衡量的。其寿命为产生这一疲劳损坏的工作小时。不同工况，对滚动面疲劳剥落的大小可以有不同的要求，例如TIM KEN轴承

13、的工作寿命是产生6 mm疲劳剥落时的工作小时，大于这一要求，认为工作寿命可以延长。盘形滚刀轴承的转速不高，它在破岩时主要要求轴承的承载能力，而对运转精度没有高的要求，表面疲劳剥落面积可考虑适当增大，以降低轴承消耗，尽可能地将轴承额定寿命的潜能力发挥出来。在分析轴承的状态变化后，将轴承工作寿命（特定地质条件下）计算值提高为900 h。试验数据如表6、表7所示。 表6 研制轴承试验当量小时数据累计值 2 从试验状态得出：选用的轴承可在正刀的各刀位上掘进使用，寿命已达800 h。（但使用寿命与TIMKEN轴承最终比较，待进一步考核）。从价格、寿命上比较，目前可替代进口件使用。 表7 进口轴承试验当量

14、小时数据累计值 4 装机掘进试验 对所试制的刀圈、盘形滚刀总成及盘形滚刀的安装件进行装机掘进试验，以考核自行研制盘形滚刀与国外同类产品的掘进对比性能，为使用、评价和改进提供依据。 4.1 刀圈掘进对比试验 刀圈试验是考核刀圈在不发生断裂和大块崩裂前提下的性能指标。 (1)刀圈耐磨性对比试验方法 8 影响刀圈磨损量的因素有地质条件、掘进参数、刀位系数和刀圈的耐磨性。试验中，将试制刀圈与进口刀圈按某种排列同时装在刀盘上，掘进相同的距离后，测量刀圈的磨损量，在TBM掘进参数相同、地质条件相同，刀位系数不同的条件下取得试验数据。因此在比较同等条件下刀圈磨损量时，还需进行刀位系数的研究。经过大量统计、分

15、析和研究，得出各刀位的磨损量参考值，其差别很大。若以30号刀位的磨损量为标准值，得到如表8所列各刀位系数。 表8 TB880E刀位系数 同组试制刀圈的磨损量与进口刀圈的磨损量除以所在试验刀位的刀位系数后得出30磨损值，用30磨损值定量比较刀圈的耐磨性。并据此进行刀圈试验和结果比较。 (2)刀圈试验结果 表9为刀圈试验结果，依据刀具来源及施工试验场地的不同分为7组。表中的30磨损差值比率为（试制刀圈的30磨损量一WIRTH30磨损量）WIRTH 30磨损量，“-”值表示试制刀圈 30磨损量小于WIRTH刀圈的30磨损量，耐磨性优于国外同类产品。 表9 刀圈试验30磨损量比较 9 4.2 正刀总成

16、和零部件试验评价 由于组成盘形滚刀的零部件较多，如刀体、刀盖、轴承等，因此由多个零件装配的盘形滚刀，在掘进中的性能亦受多种因素的影响，试验时，很难找出定量参数来衡量和比较使用性能的高低、优劣。 基于施工要求，我们采用在现有地质条件下“满足施工使用要求”的概念，来界定试制盘形滚刀总成和零件的试验结果。 (1)试制零件能代替进口件并与其它进口件混装，组成的盘形滚刀其掘进性能、维修性能和零件寿命与进口件无明显差异。 (2)试制正刀总成与进口正刀一样能装在任一正刀刀位使用。在同一地质段掘进，与进口盘形滚刀比较，未发现明显的不同的损坏。 (3)从性能价格比看对施工有利。 试验结果分析： (1)根据刀圈试验结果，在第1组、2组中各选取一把，第3组中选取2把分别配进口轴承、密封和润滑油进行组装试验，结果表明：与进口盘形滚刀相比，这些盘形滚刀在组装、使用与维修中未发现不利于掘进性能的差别。 10 (2)全部国产件组装的正刀总成，其盘型滚刀与国外同类产品比较，在掘进试验的组装、使用与维修中未发现不利于掘进性能的差别。 (3)国产盘形滚刀在磨沟岭隧道和桃花铺1号隧道TBM掘进中已表现出可靠的掘进性能，性能接近进口盘形滚刀，可替代进口盘形滚