提高盾构机盘型滚刀在砂卵石地层施工中的使用寿命研究

1、城轨分公司城轨分公司 顾剑刚顾剑刚提高盾构机盘型滚刀在砂卵石地层施工中的提高盾构机盘型滚刀在砂卵石地层施工中的使用寿命研究使用寿命研究Page 2LOGO目录目录引言引言滚刀在砂卵地层施工的磨损分析滚刀在砂卵地层施工的磨损分析提高滚刀使用寿命的技术对策提高滚刀使用寿命的技术对策砂卵地层延长滚刀使用寿命的维护措施砂卵地层延长滚刀使用寿命的维护措施结束语结束语Page 3LOGO图示图示_03滚刀的类型滚刀的类型引言引言 在含有漂石的砂卵石地层，盾构机推进时，其盘形滚刀的破岩机理与在硬岩地层中的破岩机理有着显著的不同，刀具的磨损情况也有巨大的差异。 该类地层对传统的刀具磨损十分严重，刀具消耗量大，

2、出现大量的滚刀偏磨（特别是边缘滚刀）、刀圈断裂等非正常破损现象。由此需要带来频繁的换刀或采取地层加固等相应措施，换刀安全等一系列问题，导致施工成本增加。针对该地层的特点，如何选择合适的盘形滚刀并做相应的改进研究，以提高盘形滚刀的使用寿命，是我们必须解决的技术难题。Page 4LOGO图示图示_03磨损分析磨损分析滚刀在砂卵地层施工的磨损分析滚刀在砂卵地层施工的磨损分析 滚刀在硬岩施工中，岩石在滚刀刀刃的压力作用下，形成压应力区域。压力超过岩石所能承受的应力极限时，岩石产生爆裂，其裂隙向四周扩散。当两个刀刃的距离（刀间距）达到适合的尺寸时，其间的岩石呈片状剥离，这就是传统的破岩机理。 在砂卵石地

3、层条件下，滚刀的破岩机理与硬岩破岩机理有很大的差异。它是利用刀盘高速转动产生的冲击能量，通过滚刀对卵石、砾石和漂石的刀盘前方进行“锤击”破碎的。由于开挖面土石成分的不均匀分布，造成了整体抗压强度不高，滚刀只是将卵石和漂石击碎或挤碎，以及对土层的松动，而不完全是对土层的破碎。滚刀的受力情况是不均匀的，因此它的磨损情况也有别于在硬岩地层中的磨损。相比而言，滚刀受到更多的刮削磨损和冲击磨损。Page 5LOGO图示图示_03磨损的分类磨损的分类滚刀在砂卵地层施工的磨损分析滚刀在砂卵地层施工的磨损分析在整体松散的砂卵地层中掘进，刀圈深深地贯入到岩层中，不但外圆（齿顶）接触岩层受到磨损，刃口侧面也受到极

4、大的磨损；刀圈受到磨损的同时，石英含量很高的砂和卵石也会直接作用于滚刀刀体表面，从而对刀体也产生严重磨损。 滚刀在此地质条件下使用，除了正常的磨损外，还存在大量的非正常磨损，特别是边缘滚刀，其主要表现为滚刀的偏磨、刀圈断裂、刀体过度磨损等。刀刀圈圈断断裂裂刀刀体体变变形形滚滚刀刀的的偏偏磨磨磨损的主要表现磨损的主要表现Page 6LOGO图示图示_03磨损原因分析磨损原因分析滚刀在砂卵地层施工的磨损分析滚刀在砂卵地层施工的磨损分析滚滚刀刀的的偏偏磨磨 滚刀的偏磨主要是因为启动扭矩过大。滚刀的偏磨主要是因为启动扭矩过大。滚刀在该地质中使用时，由于是在软岩地层滚刀在该地质中使用时，由于是在软岩地层

5、中掘进，卵石、砾石和漂石在基岩内不能被中掘进，卵石、砾石和漂石在基岩内不能被固定，不能提供给滚刀足够的转动力矩和滚固定，不能提供给滚刀足够的转动力矩和滚刀切岩的支撑力，造成滚刀不转，导致偏磨，刀切岩的支撑力，造成滚刀不转，导致偏磨，其明显特征为：刀圈其余部位几乎没有磨损，其明显特征为：刀圈其余部位几乎没有磨损，刀体、端盖无明显受到撞击和变形状况，刀刀体、端盖无明显受到撞击和变形状况，刀圈无断裂，刀具没有漏油和进泥现象。圈无断裂，刀具没有漏油和进泥现象。Page 7LOGO图示图示_03磨损原因分析磨损原因分析滚刀在砂卵地层施工的磨损分析滚刀在砂卵地层施工的磨损分析刀刀体体变变形形 在整体松散的

6、砂卵地层，不但刀圈的磨损，在整体松散的砂卵地层，不但刀圈的磨损，而且刀体的表面也磨损严重，特别是在富含石英而且刀体的表面也磨损严重，特别是在富含石英的砂粒和坚硬的鹅卵石，对刀圈和刀体都产生巨的砂粒和坚硬的鹅卵石，对刀圈和刀体都产生巨大的磨损。而传统的滚刀刀体材质为大的磨损。而传统的滚刀刀体材质为42CrMo42CrMo，硬，硬度约为度约为HRC28HRC283232，不具备很高的抗磨性，当刀，不具备很高的抗磨性，当刀盘转速为盘转速为2 2转转/Min/Min时，对于直径为时，对于直径为6.28m6.28m的刀盘，的刀盘，边缘滚刀的线速度约为边缘滚刀的线速度约为0.65m/s0.65m/s，若撞

7、击上漂石，若撞击上漂石或大块的鹅卵石则造成刀体变形，导致滚刀不转，或大块的鹅卵石则造成刀体变形，导致滚刀不转，形成偏磨，其明显特征为：刀圈已产生一定程度形成偏磨，其明显特征为：刀圈已产生一定程度的均匀磨损，刀体则磨损严重并有明显的受撞击的均匀磨损，刀体则磨损严重并有明显的受撞击痕迹，刀体与端盖之间卡死。痕迹，刀体与端盖之间卡死。Page 8LOGO图示图示_03磨损原因分析磨损原因分析滚刀在砂卵地层施工的磨损分析滚刀在砂卵地层施工的磨损分析刀刀圈圈断断裂裂 传统的硬岩滚刀刀圈，多采用材质相当于美传统的硬岩滚刀刀圈，多采用材质相当于美国标准的牌号国标准的牌号H13H13合金工具钢，为了达到一定的

8、合金工具钢，为了达到一定的耐磨性，常见的热处理硬度为耐磨性，常见的热处理硬度为HRC56HRC565858。如果。如果对材料的成分、锻造工艺、热处理工艺等质量控对材料的成分、锻造工艺、热处理工艺等质量控制出现偏差，容易造成刀圈的脆性增加，在大的制出现偏差，容易造成刀圈的脆性增加，在大的卵石和漂石的高速撞击下，造成刀圈断裂，特别卵石和漂石的高速撞击下，造成刀圈断裂，特别是刀圈经磨损到一定程度后强度变弱时，更容易是刀圈经磨损到一定程度后强度变弱时，更容易出现裂损现象。出现裂损现象。Page 9LOGO图示图示_03提高滚刀使用寿命的技术对策提高滚刀使用寿命的技术对策控控制制启启动动扭扭矩矩刀刀体体

9、加加厚厚刀刀圈圈改改进进技技 术术 对对 策策渣渣土土改改良良改改进进刀刀具具安安装装Page 10LOGO图示图示_03刀圈改进刀圈改进提高滚刀使用寿命的技术对策提高滚刀使用寿命的技术对策 根据滚刀在砂卵地层中与硬岩中破岩机理根据滚刀在砂卵地层中与硬岩中破岩机理的差异性，刀圈的截面尺寸和性能指标应作出的差异性，刀圈的截面尺寸和性能指标应作出相应的改进：相应的改进： 为了提高刀圈的耐磨性和使用寿命，将为了提高刀圈的耐磨性和使用寿命，将刀刃宽由刀刃宽由3/43/4吋增加到吋增加到28mm28mm或更大，同时提高其或更大，同时提高其抗冲击能力，如图抗冲击能力，如图1 1所示。所示。 由于砂卵地层中

10、石英含量高，其显微硬由于砂卵地层中石英含量高，其显微硬度高、磨耗性高，为了提高刀圈对付石英的抗度高、磨耗性高，为了提高刀圈对付石英的抗磨性，材料成分中适当提高钒、铌、钨、钼、磨性，材料成分中适当提高钒、铌、钨、钼、镍、铬等合金元素的含量，同时控制好锻造工镍、铬等合金元素的含量，同时控制好锻造工艺和热处理工艺，以达到细化晶粒、提高其抗艺和热处理工艺，以达到细化晶粒、提高其抗冲击性能。冲击性能。由于滚刀在砂卵地层中使用，受到的撞由于滚刀在砂卵地层中使用，受到的撞击很大，因此不宜为了提高其耐磨性而片面的击很大，因此不宜为了提高其耐磨性而片面的提高其硬度，必须兼顾其具备抗冲击性的能力。提高其硬度，必须

11、兼顾其具备抗冲击性的能力。图图1刀圈截面尺寸刀圈截面尺寸Page 11LOGO图示图示_03提高滚刀使用寿命的技术对策提高滚刀使用寿命的技术对策技术对策技术对策刀刀体体加加厚厚 由于刀体在砂砾石中使用，会受到严重磨损由于刀体在砂砾石中使用，会受到严重磨损和撞击，故刀体应具备较强的耐磨性和抗冲击能和撞击，故刀体应具备较强的耐磨性和抗冲击能力：力：刀体应采取耐磨处理，如表面堆焊高性能刀体应采取耐磨处理，如表面堆焊高性能耐磨材料、提高刀体的硬度（淬火至耐磨材料、提高刀体的硬度（淬火至HRC46HRC46以上，以上，或表面渗碳、碳氮共渗等处理）。或表面渗碳、碳氮共渗等处理）。 提高刀体的厚度和强度，以

12、便提高刀体的提高刀体的厚度和强度，以便提高刀体的抗冲击变形能力。抗冲击变形能力。Page 12LOGO图示图示_03提高滚刀使用寿命的技术对策提高滚刀使用寿命的技术对策技技 术术 对对 策策控控制制启启动动扭扭矩矩 严格控制好滚刀的启动扭矩，单刃滚刀不宜严格控制好滚刀的启动扭矩，单刃滚刀不宜超过超过25N.m25N.m。如果在特别松软的地层，对于单刃。如果在特别松软的地层，对于单刃滚刀，开挖面无法提供足够的反力来克服启动滚刀，开挖面无法提供足够的反力来克服启动扭矩和阻力扭矩，可适当考虑采用双刃滚刀，扭矩和阻力扭矩，可适当考虑采用双刃滚刀，以便提高转动力矩。以便提高转动力矩。Page 13LOG

13、O图示图示_03改进刀具安装改进刀具安装提高滚刀使用寿命的技术对策提高滚刀使用寿命的技术对策 对于海瑞克盾构机，通常使用的滚刀规格对于海瑞克盾构机，通常使用的滚刀规格为为1717吋（刀圈外径吋（刀圈外径431.8mm431.8mm），极限磨损量为：），极限磨损量为：正面滚刀约正面滚刀约252530mm30mm，边缘滚刀约，边缘滚刀约15mm15mm。为了。为了提高其使用寿命，可适当增加极限磨损量，但提高其使用寿命，可适当增加极限磨损量，但必须对滚刀的安装做适当的改进，具体方案如必须对滚刀的安装做适当的改进，具体方案如下：下：加大刀圈的外径加大刀圈的外径 若单纯的加大刀圈的外径将导致滚刀无法若单

14、纯的加大刀圈的外径将导致滚刀无法安装入刀箱，必须对安装滚刀的安装入刀箱，必须对安装滚刀的U U形块尺寸进行形块尺寸进行改造，如图改造，如图2 2所示，按此方案可将刀圈外径加大所示，按此方案可将刀圈外径加大至至448mm448mm。由此，极限磨损量为：正面滚刀由原。由此，极限磨损量为：正面滚刀由原来的来的25mm25mm增加至增加至33mm33mm，提高使用寿命约，提高使用寿命约1/31/3，边，边缘滚刀由原来的缘滚刀由原来的15mm15mm增加至增加至23mm23mm，提高使用寿，提高使用寿命命53%53%，经过成都地铁，经过成都地铁2 2号线的使用，效果非常号线的使用，效果非常显著，只是略微

15、增加刀圈的成本。显著，只是略微增加刀圈的成本。图图2加大刀圈外径改装加大刀圈外径改装Page 14LOGO图示图示_03改进刀具安装改进刀具安装提高滚刀使用寿命的技术对策提高滚刀使用寿命的技术对策 对于海瑞克盾构机，通常使用的滚刀规格对于海瑞克盾构机，通常使用的滚刀规格为为1717吋（刀圈外径吋（刀圈外径431.8mm431.8mm），极限磨损量为：），极限磨损量为：正面滚刀约正面滚刀约252530mm30mm，边缘滚刀约，边缘滚刀约15mm15mm。为了。为了提高其使用寿命，可适当增加极限磨损量，但提高其使用寿命，可适当增加极限磨损量，但必须对滚刀的安装做适当的改进，具体方案如必须对滚刀的安

16、装做适当的改进，具体方案如下：下：滚刀前突安装滚刀前突安装对对U U形块尺寸进行改进，如图形块尺寸进行改进，如图3 3所示，可根所示，可根据实际情况确定前突安装量。以前突安装据实际情况确定前突安装量。以前突安装10mm10mm为例，则极限磨损量为：正面滚刀由原来的为例，则极限磨损量为：正面滚刀由原来的25mm25mm增加至增加至35mm35mm，提高使用寿命，提高使用寿命40%40%，边缘滚刀，边缘滚刀由原来的由原来的15mm15mm增加至增加至25mm25mm，提高使用寿命，提高使用寿命67%67%，并且刀具的成本没有任何的改变。并且刀具的成本没有任何的改变。图图3滚刀前凸安装滚刀前凸安装P

17、age 15LOGO图示图示_03提高滚刀使用寿命的技术对策提高滚刀使用寿命的技术对策技技 术术 对对 策策渣渣土土改改良良对于土压平衡式的盾构施工，在土仓中注对于土压平衡式的盾构施工，在土仓中注入适量的泡沫剂和膨润土等，对渣土进行改良，入适量的泡沫剂和膨润土等，对渣土进行改良，可以有效地增加渣土的流动性，减少渣土在刀可以有效地增加渣土的流动性，减少渣土在刀箱里结块，降低对刀具和刀盘的磨蚀。箱里结块，降低对刀具和刀盘的磨蚀。 对于泥水平衡盾构施工，控制好循环浆液对于泥水平衡盾构施工，控制好循环浆液的成分配比，对降低刀具和刀盘的磨蚀十分重的成分配比，对降低刀具和刀盘的磨蚀十分重要。要。Page

18、16LOGO图示图示_03延长滚刀使用寿命的维护措施延长滚刀使用寿命的维护措施刀刀具具选选配配刀刀具具管管理理刀刀具具维维修修维维 护护 措措 施施Page 17LOGO图示图示_03刀具维修刀具维修延长滚刀使用寿命的维护措施延长滚刀使用寿命的维护措施 及时对可再利用的滚刀进行及时对可再利用的滚刀进行维修，可以提高刀具的利用率，减维修，可以提高刀具的利用率，减少刀具的库存成本；还可以减少零少刀具的库存成本；还可以减少零件的报废（如漏油进泥的滚刀，不件的报废（如漏油进泥的滚刀，不及时维修会造成轴承锈蚀而报废）。及时维修会造成轴承锈蚀而报废）。 对于能修复再使用的零件尽对于能修复再使用的零件尽量修

19、复，并对其改善性能，更适合量修复，并对其改善性能，更适合使用要求。如图使用要求。如图4 4为未经耐磨处理的为未经耐磨处理的刀体使用一次后严重磨损，图刀体使用一次后严重磨损，图5 5为经为经堆焊耐磨层修复后，可继续使用堆焊耐磨层修复后，可继续使用3 35 5次，大大降低使用成本，提高寿命。次，大大降低使用成本，提高寿命。图图4滚刀刀体修复前滚刀刀体修复前图图5滚刀刀体修复后滚刀刀体修复后Page 18LOGO图示图示_03延长滚刀使用寿命的维护措施延长滚刀使用寿命的维护措施维维 护护 措措 施施刀刀具具管管理理完善刀具的管理体系，对每把滚刀编号登完善刀具的管理体系，对每把滚刀编号登记，记录每次使

20、用的掘进里程、地质情况、装记，记录每次使用的掘进里程、地质情况、装在刀盘的位置、磨损情况（磨损量、有无偏磨在刀盘的位置、磨损情况（磨损量、有无偏磨和漏油、有无受到撞击、启动扭矩变化等）、和漏油、有无受到撞击、启动扭矩变化等）、维修更换的零件、掘进参数、渣土改良情况等，维修更换的零件、掘进参数、渣土改良情况等，通过对其磨损情况和各种参数的分析，可以获通过对其磨损情况和各种参数的分析，可以获得很多有用的信息，便于改善滚刀的使用。得很多有用的信息，便于改善滚刀的使用。Page 19LOGO图示图示_03延长滚刀使用寿命的维护措施延长滚刀使用寿命的维护措施维维 护护 措措 施施刀刀具具选选配配对于整个刀盘上的滚刀，边缘滚刀的行程轨迹最长、对于整个刀盘上的滚刀，边缘滚刀的行程轨迹最长、线速度最高，受到的冲击力最大，磨损最严重。因此，最线速度最高，受到的冲击力最大，磨损最严重。因此，最长的换刀里程取