刀具的磨损及失效分析

盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE刀具磨损机理序号磨损类型磨损外观磨损机理1粘着磨损麻点材料的相互作用是主要因素。粘着磨损的过程实际上是摩擦副双方间原子键的形成（显微熔接）和分离过程2磨料磨损擦伤、沟纹、条痕硬颗粒或硬突起引起摩擦表面破坏，分离出屑或形成擦伤的过程3疲劳磨损裂纹、点蚀摩擦副材料微体积受循环接触应力，产生重复变形，导致裂纹和分离出微片或颗粒的过程4摩擦化学磨损反应产物（膜、微粒）在摩擦作用促进下，摩擦副的一方或双方与中间物质或环境介质中的某些成分发生化学或电化学反应的过程5微动磨损磨屑的研磨由上述四种机理叠加而成。如果两接触固体彼此以振幅小于100μm的摆动运动方式作相对运动的过程，则会出现细小磨屑的研磨作用盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE刀具磨损机理-磨料磨损的形式显微切削：硬颗粒或硬凸起与材料产生相对运动，引起的材料损伤。当磨粒的形状与运动方向合适，有利于切削时，磨粒在切向力的作用下，在料表面刮起一层薄片，形成一次切削，脱离材料表面。这种切削沟的宽度和深很小，切屑也非常小。盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE刀具磨损机理-磨料磨损的形式疲劳(微观犁皱或微观压入):表面微观部分受循环变应力产生重复变形导致裂纹形成，最终使表面产生破损。压入盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE刀具磨损机理-磨料磨损的形式粘着：两接触表面局部的粘着使材料由一表面转移到另一表面所引起的磨损。P盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE刀具磨损机理-磨料磨损的形式龟裂：材料表面受到垂直应力的反复作用，产生显微裂纹。裂纹压入盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE砂卵石地层切削刀具失效分析

北京地铁某线砂卵石地层中石英含量高达45%以上，石英砂是“很好”的磨料，使刀具磨损速度加快。该线应用的德国海瑞克盾构机的刀盘转速可以达到3rpm(转数/分钟)，直径6m刀盘外围刀具的线速度可以达到1m/s。北京地区地层中含有大量不同粒径的卵石，使得刀具的刃口部位承受很大的冲击荷载。北京地铁某线盾构试验段砂卵石地层渣土

盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE砂卵石地层切削刀具失效分析

如北京地铁某线盾构试验段雍和宫站至张自忠站左线1510m隧道掘进为砂卵石及粘土混合地层,掘进过程中更换了5批刀具；而在北京地铁某线16合同段宋家庄站至刘家窑站右线隧道1320m的粉质粘土为主地层掘进则没有更换过刀具，这充分表明了砂砾、乱石对盾构刀具的巨大破坏作用。盾构试验段盾构机刀具磨损和折断严重，开仓后刀具的形貌见下图。

硬质合金刀片折断的齿刀周边刀掘进70米后磨损情况周边刀磨损后的形貌盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE砂卵石地层切削刀具失效分析从扫描电镜照片可以看出：刃口位的斜坡（内侧）为典型的犁沟式磨损。

盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE砂卵石地层切削刀具失效分析从扫描电镜照片可以看出：外侧硬质合金球齿失效形为脆性塌陷+犁沟式磨损。

球齿表面磨损形貌

盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE砂卵石地层切削刀具失效分析从扫描电镜照片可以看出：外侧的球齿镶嵌部分的磨损形式为犁沟式+碾压磨损。周边刀刀体迎土面磨损情况盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE滚刀的磨损正常磨损是指刀圈的磨损量超过了规定值，磨损量可用专用的量具进行测量。盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE刀圈偏磨，滚刀在掘进工作面不转动，由于刀圈和掘进工作面的相对运动就会形成刀圈的偏磨。滚刀的磨损盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE刀圈断裂，推力过大或刀圈在比较硬的岩石上滚动就有可能使刀圈断裂，若一个刀圈有两处断裂，断裂的部分刀圈就有可能掉到土舱。边缘滚刀和正面区滚刀经常有此现象。滚刀的磨损盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE滚刀的多边形磨损在掘进时滚刀时转时不转，或者在某个点转动时间长在其它点转动时间短，就会产生这样的磨损。滚刀的磨损盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE预防滚刀异常磨损的措施择择合理的掘进参数掘进参数包括掘进推力、刀盘转速、扭矩、推进速度、切削量等，影响刀具磨损的最直接参数是掘进推力，推力的大小直接决定了刀具所承受的载荷。推力过大，虽然短期内掘进速度很快，但长时间刀盘刀具所承受的载荷也比较大，过大的载荷会使滚刀轴承受挤压产生变形，继而影响滚刀的自转最终造成滚刀刀圈的偏磨或断裂。一般在岩石中风化带岩石微风化带地层最大的推力不要超过1000ton。刀盘转速也是影响刀具磨损的另一个主要因素，过大的刀盘转速在硬岩地层会造成盾构机振动颠簸，加剧刀具的磨损。一般在硬岩地层刀盘转速设置为1.5rpm为合适值。预防滚刀异常磨损的措施根据不同的地层选择不同的刀具根据地质资料和对出土情况的判断来确定刀具的更换，特别是两种地层的交界处。从岩石微风化带地层向岩石强风化带转换,如不能及时将齿刀更换为滚刀，就会很快加剧齿刀地磨损；从硬岩地层向软土地层转换，如不及时将滚刀换回齿刀，也有可能出现滚刀偏磨的现象。盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE定期对刀具进行检查在硬岩区地层中，如果出现推力过大推进速度小扭矩也偏小，盾构机姿态纠正很难的现象时，就要考虑刀具是否磨损严重，安排开舱检查刀具。如果连续出现刀盘或螺旋输送机被卡住、驱动电机熄火的现象时，应立即停机进行检查。一般要在不超过二十环时对刀具进行一次检查，检查看是否有刀圈磨损超限、刀圈断裂、刀圈变形、固定刀圈的螺帽是否松动或掉落、刀座是否有裂纹等，如果一旦发现应立即采取补救措施。

软土区在掘进100环时要对刀具进行一次检查。预防滚刀异常磨损的措施盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE盾构机姿态应保持正常姿态在硬岩地层如果不断的调整盾构机姿态就会使滚刀受力不均匀，在某个方向上过大的推力有可能导致滚刀变形。在硬岩地层绝不可只片面追求进度，应该在保证刀盘和刀具不被严重磨损的前提下安排生产进度。为了一时的进度而忽视刀具的例行检查是得不偿失的。更换