TBM掘進機盤型滾刀的研制

1、TBM掘進機盤型滾刀的研制劉 春(中國鐵路工程總公司，北京 )摘要：TBM刀具是關系TBM掘進速率的基本要素。通過對刀具工作條件的分析和研究，指出刀具壽命與巖石完整性及其在刀盤的位置相關；提出關于整刀及其刀圈、刀體、刀軸、托架、軸承、油封等部件選材、熱處理和加工精度的技術指標要求以及相應試驗方法和原則：最終以刀位系數(shù)作為刀具評價標準，選取優(yōu)良刀具進行現(xiàn)場試驗。關鍵詞：隨道；施工設備；TBM掘進機；盤型滾刀；研制 自1997年我國引進TB880E掘進機(以下簡稱TB M)以來，已成功將其應用于秦嶺、磨溝嶺和桃花鋪等隧道的掘進施工，提高了施工速度，降低了工程成本。但在施工實踐中，仍存在刀具消耗量大

2、、更換耗時等問題。掘進機使用盤形滾刀在巖面滾壓破碎巖石，掘進成洞。作為破巖工具，盤形滾刀刀具磨損速率直接影響隧道掘進速度和掘進成本，尤其使用大直徑TBM在硬巖中掘進，消耗盤形滾刀的數(shù)量更大，影響就更為突出。據(jù)統(tǒng)計1,TBM每掘進10.865km(直徑8.8 m)，盤形滾刀破碎巖石66 xl04m3使用各類盤形滾刀1201套，消耗各類刀圈4218個，更換刀具軸承2239套。為減少刀具消耗數(shù)量，降低購買成本，結合施工實際，開發(fā)研制了新型TB880E掘進機盤型滾刀。1 TBM施工對盤形滾刀的使用要求在掘進過程中，盤形滾刀要承受伴隨破巖過程產(chǎn)生的高強度沖擊與振動、劇烈摩擦和溫度的變化，造成刀圈磨損乃至

3、斷裂、密封損壞而漏油、軸承疲勞損壞和碎裂、聯(lián)接螺栓松動或斷裂等一系列損壞，使盤形滾刀失去破巖能力，必需更換與檢查維修。TBM施工對盤形滾刀提出以下使用要求：(1)刀圈必須具備高應力下的耐磨性和沖擊韌性：(2)盤形滾刀必須具有較高的承載能力，在巨大壓力和強烈振動的工況下能正常運轉、破巖：(3)軸承有充分的潤滑和可靠的密封；(4)盤形滾刀在刀盤上安裝固定可靠，在振動與沖擊的作用下，盤形滾刀螺栓不松動、斷裂。2 盤型滾刀工況2.1 盤型滾刀在大刀盤上的布置如圖1所示，在TB880E刀盤上有6把中心刀、62把面刀（正滾刀）、3把邊刀，共計71把刀進行掘進，另外還有2把擴孔刀，作為更換邊刀時擴孔之用。圖

4、1 盤型滾刀布置圖圖2顯示了正滾刀的組成：刀圈熱壓在刀體上，由擋圈保持了它的軸向位置，防止竄動；軸承提供刀圈切削過程中的被動回轉功能，否則就會發(fā)生偏磨，它同時能承受正常狀態(tài)下25t推力；兩個端蓋使?jié)L刀成為一個整體，靠托架和楔形墊塊安裝在大刀盤上。圖2 正滾刀剖面圖2.2掘進機破巖機理如圖3所示，掘進機切削巖石的機理是：掘進時，盤型刀沿巖石開挖面滾動，通過大刀盤均勻地在每把盤型刀上對巖面施加壓力，形成滾動擠壓切削而實現(xiàn)破巖。大刀盤每轉動一圈，盤型刀將切入一定深度，在盤型刀刀刃與巖石接觸處，巖石被擠壓成粉末，從這個區(qū)域開始，裂縫向相鄰的切槽擴展，進而形成片狀石碴。圖3 掘進機破巖機理示意圖(2)2

5、.3 刀位磨耗標準如圖4顯示：一把新的17英寸盤形滾刀其外徑尺寸為432mm，切削中刀圈被磨耗，當頂高磨耗了38mm時(外徑減小為356mm)，必須更換新的刀具。在換刀和進行刀具調(diào)位時，相鄰兩把刀的高差應控制在15mm左右，最大不超過25mm，以減少相鄰刀具之間所受推力的不平衡，而這種不平衡力有時可能是刀具承受正常受力的10倍，使盤形滾刀的損壞概率增加。圖4 刀位磨耗標準圖(3)分析得知，刀具磨耗高度不同狀況下，切削效果有較大差異：經(jīng)過計算，一把新的盤型滾刀以5mm切入深度(ip)切削巖石時，刀刃與巖石接觸面積(Ac)是1 076 mm2此時刀具對巖石產(chǎn)生的擠壓應力()是232. 22 MPa

6、。當盤刀在高度上的磨蝕量(t)為10 mm時，Ac=1 688. 51 mm2，= 148. 05 MPa：當t=30 mm時，Ac=2 207.5mm2，=113. 25 MPa; 當t=38 mm時，Ac=2 620.20 mm2，= 95.40 MPa。由此可以看出，當使用482 mm的盤型滾刀，刀圈高度上的磨耗量達30 mm時，刀刃與巖石接觸面已為2 207.5 mm2的矩形面，它對巖面的擠壓力已減少為113 MPa左右，此時刀具對巖石的切削轉入以磨削為主，刀具的切削，作用大為降低，切削速度明顯下降。2.4 TBM在不同圍巖下切削時，刀具壽命不同從表1中可以看出，刀圈的消耗比率（即掘進

7、百米時刀具消耗數(shù)）與巖石完整性成正比，即巖石的完整性越高，刀圈磨耗越快，例如Kv值越大（巖石越完整）、Jv越?。◣r石單位體積的裂隙數(shù)少），則百米耗刀量就越大（而巖石抗壓強度對刀具消耗的影響率相對要小一些）。表l 刀具壽命表(4)序號掘進里程掘進長度/m掘進速度/m h-l巖石完整系數(shù)Kv節(jié)理體積數(shù)Jv巖石干燥抗壓強度/Mpa刀具消耗數(shù)量把刀具掘進消耗率把(100 m)-1巖性1DK66 +550-7802301.590.75121237331.742DK65 + 370-445751.420.8110942432.003DK67 + 380-430501.180.8271002040.00混合

8、片麻巖4DK67 +930-960350.970.8561301440.005DK66 + 370-5501800.900.88616414580.566DK69 + 720-9802601.170.91417913150.40混合花崗巖2.5 刀具在刀盤上的刀位不同，其磨耗率不同圖5是不同刀位下刀具磨耗統(tǒng)計圖。從統(tǒng)計圖上看出，中心刀及1號30號刀位的正滾刀，受力狀態(tài)和磨耗相對小一些，而52號60號、63號65號刀位的工況要惡劣的多，消耗也大的多。圖5 不同刀位下刀具磨耗統(tǒng)計圖3 盤型滾刀研制內(nèi)容正滾刀的研制包括刀圈研制，刀體、刀蓋、刀軸、托架等主要零件的選材、加工，以及軸承、浮動密封、安裝螺

9、栓的選用。3.1 刀圈為保持刀圈良好的耐磨性和足夠的韌性，刀圈的試制重點是刀圈材料選用及熱處理方法的研究。進口刀圈含碳量0.5%，是含有Cr、Mo、V、Si等合金元素的熱作模具鋼，鋼材材質(zhì)優(yōu)良，刀刃斷面流線清晰，硬度均勻，熱處理后表面硬度HRC56-HRC58，截面硬度HRC54- HRC56，顯微組織為回火馬氏體及少量細小顆粒狀碳化物。經(jīng)對失效刀圈分析，認為刀圈發(fā)生崩裂，是由于巨大沖擊造成，刀圈磨損主要是切削式擠壓造成，屬高壓力碾壓式磨料磨損。對進口刀圈材料的化學成分分析和機械性能測試結果見表2和表3。表2 進口刀圈材料化學成分 w/%分析單位CSiMnPSCrMoV非金屬夾雜物戚所0.51

10、0.940.270.0150.0014.951.410.801級一重0.541.000.300.0220.0054.891.260.87九久0.500.760.320.0320.0195.151.170.72南齒0.500.950.340.0200.0155.121.240.90A0.5.B0.5,CO,DO表3 刀圈材料機械性能測試單位硬度/HRCb/MPa5%/%Akv/Jbb/MPa威所54562 0455 2510.2511.13 448一重56572 040-2 065568.5-1168九久54572 0505.51014南齒5657為解決刀圈耐磨性和韌性的統(tǒng)一、協(xié)調(diào)關系，在生產(chǎn)工

11、藝方面，采用模鍛成形毛坯工藝，雖第一批投入較高，但提高了質(zhì)量，降低了原材料消耗；同時進行刀圈碾壓成形毛坯鍛造工藝研究，設計出碾壓模具和工藝流程，使刀圈毛坯流線分布合理，加工余量少，節(jié)省材料。此外，在精加工過程中和過程后進行100%探傷檢查，加強探傷檢測工作。3.2 刀體、刀蓋、刀軸、托架的選材、加工刀體、端蓋、刀軸等零件是盤形滾刀的主要加工件，它們承受很大的沖擊載荷，除擋圈外均使用中碳合金鋼制作，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。在刀體加工中，注意控制安裝軸承的兩內(nèi)孔的同心度、刀蓋加工中100 mm內(nèi)孔與托架安裝面的不平行度和刀軸兩側各4個M16螺孔的不同軸度的位置精度，使用專用夾具或數(shù)控機床進行加工。由于托架的

12、外錐面與墊塊的內(nèi)錐面需配合使用，要求互換，因此除要求錐度準確外，還要求錐面高度誤差不能大，必須用專用的測量工具測量。3.3 軸承、浮動密封、安裝螺栓的選用TB880E型TBM的原裝正滾刀與邊刀均使用美國TIME KE公司生產(chǎn)的HH- HH型加重級圓錐滾子軸承，每把刀兩套。軸承外徑212. 725 mm，內(nèi)徑99.925 mm寬66. 675 mm額定動載荷63 t，額定靜載荷90. 61 t。與試制的同類軸承進行試驗。TB880E型TBM原裝正滾刀、邊刀、中心刀均使用德國7697 H2300浮動密封。該浮動密封尺寸227 mm X15 mm“0”型圈尺寸212 mm9.5 mm。與研制的同類浮

13、動密封和“0”型圈進行試驗。安裝正滾刀與邊刀的M24 *230 - 10.9級螺栓工作條件惡劣，一旦松動或斷裂，就會造成一把整刀的報廢，使用量也大。經(jīng)調(diào)研，選用上海標準件五廠M24 *230 - 12.9級和上海高強度螺栓廠M24*230 - 10.9級螺栓代替進口件裝機使用。3.4 軸承選用在秦嶺隧道混合片麻巖地段，其干抗壓強度為150 MPa300 MPa，掘進機推力常保持為14 MN17 MN。進口軸承使用平均壽命為287當量小時。試用的國產(chǎn)軸承為146當量小時257當量小時。試驗數(shù)據(jù)如表4。表4 秦嶺隧道試驗數(shù)據(jù)刀位號掘進數(shù)/m工作當量小時h刀位號掘進數(shù)/m工作當量小時h3132342

14、40.9175.5168.5245.2160.9146.8484954240.9240.9240.9239.0257.5251.3在磨溝嶺隧道石英云母片巖和大理巖地段，干抗壓強度為120 MPa，掘進機推力常保持為7 MN15 MN后期為12 MN16 MN，進口軸承的使用壽命為600當量小時900當量小時，最高達到1 200當量小時。試用的國產(chǎn)軸承為606當量小時886當量小時，最高達到1 247當量小時，試驗數(shù)據(jù)如表5。表5 磨溝嶺隧道試驗數(shù)據(jù)刀位號掘進數(shù)/m工作當量小時h刀位號掘進數(shù)/m工作當量小時h60 ,61 ,1053 ,57581663 ,65361 313.21 609.91

15、579.51 683.0619.21 343.41 200.21 208.51 247.2606.3633.6691.4720.3543 ,1437 ,1732 ,4033 ,551 058.01 767.61 251.6954.5609.3625.5886.5680.9732.7850.1 在正常使用條件下，軸承的失效是以滾動面上的疲勞損壞面積來衡量的。其壽命為產(chǎn)生這一疲勞損壞的工作小時。不同工況，對滾動面疲勞剝落的大小可以有不同的要求，例如TIM KEN軸承的工作壽命是產(chǎn)生6 mm2疲勞剝落時的工作小時，大于這一要求，認為工作壽命可以延長。盤形滾刀軸承的轉速不高，它在破巖時主要要求軸承的承

16、載能力，而對運轉精度沒有高的要求，表面疲勞剝落面積可考慮適當增大，以降低軸承消耗，盡可能地將軸承額定壽命的潛能力發(fā)揮出來。在分析軸承的狀態(tài)變化后，將軸承工作壽命（特定地質(zhì)條件下）計算值提高為900 h。試驗數(shù)據(jù)如表6、表7所示。表6 研制軸承試驗當量小時數(shù)據(jù)累計值刀體號2011201220132025202620246732580020342008783累計當量小時h886.5606 3921.71 208.51 247.21 200633 7850.1335.8602.24735.9525.5從試驗狀態(tài)得出：選用的軸承可在正刀的各刀位上掘進使用，壽命已達800 h。（但使用壽命與TIMKEN

17、軸承最終比較，待進一步考核）。從價格、壽命上比較，目前可替代進口件使用。表7 進口軸承試驗當量小時數(shù)據(jù)累計值刀號運轉當量小時h刀號運轉當量小時h218A241222A168Nl0017627611 106866970982902919451240A174283671N1002855H10127417294171 1719725363424 裝機掘進試驗對所試制的刀圈、盤形滾刀總成及盤形滾刀的安裝件進行裝機掘進試驗，以考核自行研制盤形滾刀與國外同類產(chǎn)品的掘進對比性能，為使用、評價和改進提供依據(jù)。4.1 刀圈掘進對比試驗刀圈試驗是考核刀圈在不發(fā)生斷裂和大塊崩裂前提下的性能指標。(1)刀圈耐磨性對比

18、試驗方法影響刀圈磨損量的因素有地質(zhì)條件、掘進參數(shù)、刀位系數(shù)和刀圈的耐磨性。試驗中，將試制刀圈與進口刀圈按某種排列同時裝在刀盤上，掘進相同的距離后，測量刀圈的磨損量，在TBM掘進參數(shù)相同、地質(zhì)條件相同，刀位系數(shù)不同的條件下取得試驗數(shù)據(jù)。因此在比較同等條件下刀圈磨損量時，還需進行刀位系數(shù)的研究。經(jīng)過大量統(tǒng)計、分析和研究，得出各刀位的磨損量參考值，其差別很大。若以30號刀位的磨損量為標準值，得到如表8所列各刀位系數(shù)。表8 TB880E刀位系數(shù)刀位號強度系數(shù)刀位號強度系數(shù)刀位號強度系數(shù)2526272829303132333435360.800.840.880.920.9611.041.081.121.

19、161.201.253738394041424344454647481.301.361.421.481.551.631.741.851.962.072.182.294950515253545556575859602.402.753.103,453.673.833.954.113.933.803.633.39 同組試制刀圈的磨損量與進口刀圈的磨損量除以所在試驗刀位的刀位系數(shù)后得出30磨損值，用30磨損值定量比較刀圈的耐磨性。并據(jù)此進行刀圈試驗和結果比較。(2)刀圈試驗結果表9為刀圈試驗結果，依據(jù)刀具來源及施工試驗場地的不同分為7組。表中的30磨損差值比率為（試制刀圈的30磨損量一WIRTH30磨

20、損量）WIRTH 30磨損量，“-”值表示試制刀圈30磨損量小于WIRTH刀圈的30磨損量，耐磨性優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。表9 刀圈試驗30磨損量比較序號試制刀圈30均值（mm/刀圈數(shù)）進口刀圈30均值mm/刀圈數(shù)）30磨損量差值比率%序號試制刀圈30均值（mm/刀圈數(shù)）進口刀圈30均值（mm/刀圈數(shù)）30磨損量差值比率%備注1-1-11-1-21-1-31-1-41-1-51-1-61-2-71-2-82-1-12-1-22-1-33-1-13-1-23-1-33-1-43-1-53-2-63-2-73-2-88.65/210.75/59.3/218.5/520.92/213.33/311.75/

21、128.38/29.1/617.14/521.77/68.98/610.83/218.21/49.57/310.02/320.88/212.23/210.10119.14/110.80/29.22/118.43/223.02/214.111110.61/124.22/2S.75/116.97/122.79/18.01/29.58/118.01/18.38/19.08/622.24/115.59/29.9/1- 5.25- 0.460.870.38- 9.12- 5.5010.7017.184.001.00- 4.4712.1013.051.1014.2010.35- 6.10- 2.902.0

22、03-2-93-2-103-2-114-1-14-1-24-1-35-1-15-1-25-2-35-2-45-2-55-2-66-1-16-1-26-1-36-1-47-1-17-1-27-1-314.80/117.99/417.61/438.4/623.95/616.5/67.56/48.74/318.36/222.26/227.71/133.73/222.50/336.58/634.08/336.6/515.31/118.99/417.85/236.5/322.8/315.6/38.24/110.33/217.17/121.99/227.72/133.01/116.75/226. 40/323.97/227.39/33.33-5.26-1.344.203.207.30-8.20-15.406.901.200.042.1934.3038.5042.0033.60斷1個刀圈斷2個刀圈斷1個刀圈斷3個刀圈 4.2 正刀總成和零部件試驗評價由于組成盤形