淺談敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)刀盤裝配技術(shù)

摘 要：主要通過介紹敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)刀盤的結(jié)構(gòu)形式和工作原理，詳細(xì)分析了刀盤裝配中的技術(shù)難點(diǎn)，并根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)詳細(xì)介紹和論證了刀盤裝配的合理可行的裝配方案，針對(duì)裝配方案中的技術(shù)難點(diǎn)，詳細(xì)分析了刀盤裝配精度和使用性能的要求，并采取了合理的工藝措施和技術(shù)手段，保證刀盤的裝配精度和使用性能，具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)；刀盤裝配；裝配方案；滾刀座；安裝工具

引言

敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)是一種集掘進(jìn)、出渣、導(dǎo)向、支護(hù)和通風(fēng)等多功能為一體的大型高效隧道施工機(jī)械，適應(yīng)于硬巖地質(zhì)條件，主要依靠安裝在刀盤上的17″和20″盤形滾刀對(duì)開挖面的巖層進(jìn)行滾壓破碎。敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)刀盤需要滿足特定的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，以及超長距離、超大斷面、存在軟弱巖層、高速掘進(jìn)、在不同的地質(zhì)情況下仍具有良好的破巖開挖能力，并能高效安全地通過洞線上的各類地層的技術(shù)要求，因此，敞開式硬巖掘進(jìn)除研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮刀盤的強(qiáng)度、剛度、耐磨性和耐久性外，還應(yīng)研究采用合理的加工和裝配工藝手段，保證刀盤的整體裝配精度和使用性能。

目前刀盤的裝配需要多次調(diào)整檢測，效率較低，更重要的是很難保證關(guān)鍵部件盤形滾刀的安裝精度，且影響刀盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。其次，受敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)地下施工環(huán)境的限制，施工過程中的維修非常困難，刀盤工廠內(nèi)的裝配過程便十分關(guān)鍵，是保證刀盤使用性能的檢驗(yàn)過程，因此刀盤的裝配也是整個(gè)刀盤制造過程中的重要環(huán)節(jié)。

本篇主要以直徑Φ8.53m敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)為例，介紹敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)刀盤的裝配技術(shù)，結(jié)合刀盤的結(jié)構(gòu)形式和技術(shù)難點(diǎn)，采取合理的工藝措施和手段保證刀盤的裝配精度。

1 敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)刀盤的結(jié)構(gòu)形式和工作原理

1.1 敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)刀盤的結(jié)構(gòu)形式

如圖1 所示，敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)刀盤直徑為5瓣把合的結(jié)構(gòu)形式。刀盤結(jié)構(gòu)件主要包括中心塊、左邊塊、右邊塊、上邊塊和下邊塊。

刀盤的周邊布置有鏟斗，鏟斗沿刀盤外圍分布，用來把巖渣從隧洞底部鏟至頂部，然后沿著出渣槽到達(dá)主機(jī)皮帶出渣機(jī)上方的巖渣漏斗。鏟斗開口上安裝有可更換的斗齒，有助于在隧道沿線可能遇到的松散巖石的開挖和裝料，以提高周邊圍巖斷面平整度。刀盤表面覆有TRIMAY耐磨板和HARDOX耐磨板，用于防護(hù)刀盤磨損。刀盤面上裝有噴水系統(tǒng)，噴水系統(tǒng)通過刀盤中心的旋轉(zhuǎn)接頭將水壓送到的各個(gè)噴嘴點(diǎn)，起到施工中降溫和濕塵的作用。

刀盤上布置背裝式盤型滾刀，分別為45把20寸滾刀和4把17寸中心滾刀，滾刀安裝在滾刀座上，盤形滾刀在刀盤上呈雙螺旋線布置，且分布在不同的角度面上，安裝中存在各種不同角度和高度，掘進(jìn)施工時(shí)主要通過兩等距相鄰滾刀對(duì)巖石擠壓，使巖石產(chǎn)生裂紋進(jìn)而進(jìn)行破碎。

1.2 敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)刀盤的工作原理

通過刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)，并由推進(jìn)系統(tǒng)給刀盤提供推進(jìn)力，在推進(jìn)力的作用下滾刀切入巖石掌子面。不同部位的滾刀在掌子面上留下不同半徑的同心圓切槽軌跡，在滾刀的擠壓下，相鄰切槽的巖石在剪切力作用下從巖體上剝落下來形成石渣，石渣則隨著刀盤的旋轉(zhuǎn)由刀盤上的鏟渣斗自動(dòng)拾起，經(jīng)刀盤內(nèi)的溜渣槽輸送出去。

2 刀盤裝配技術(shù)難點(diǎn)

2.1 刀盤的組對(duì)

直徑8.53m刀盤5瓣體積較大，調(diào)整困難。刀盤各瓣制造過程相互獨(dú)立進(jìn)行，調(diào)整時(shí)各瓣組對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)存在誤差。各瓣通過定位銷定位，用螺栓聯(lián)接，各瓣結(jié)合面的形位公差要求為0.05mm/1000mm，結(jié)合面上的銷孔共計(jì)8個(gè)，螺栓聯(lián)接孔共計(jì)1144個(gè)，數(shù)量較多，位置精度要求為Φ0.1mm，精度要求嚴(yán)格，刀盤裝配后整體平面度為0.2mm/1000mm，直徑公差為0～3mm，裝配技術(shù)復(fù)雜。刀盤裝配中保證刀盤直徑尺寸、刀盤圓度及平面度成為技術(shù)難點(diǎn)。

2.2 滾刀座的安裝

滾刀座為分體式結(jié)構(gòu)，由嵌塊和左、右半刀座組成。在安裝之前，需要將左、右半刀座和嵌塊分別進(jìn)行組對(duì)，此工序要求精確保證左、右和嵌塊的組對(duì)尺寸。

滾刀座的安裝應(yīng)以刀盤旋轉(zhuǎn)中心為基準(zhǔn)并參考刀盤的十字中心線和刀座孔的徑向中心線進(jìn)行定位，在刀盤水平面上呈雙螺旋線分布，安裝位置復(fù)雜。根據(jù)刀盤性能要求滾刀座安裝需達(dá)到以下工藝要求：

a.滾刀座安裝在設(shè)計(jì)確定的X和Y方向坐標(biāo)點(diǎn)上；b.滾刀座安裝后須刀盤旋轉(zhuǎn)圓的切線上，不得偏斜和歪曲；c.滾刀安裝后須保證刀刃在同一平面上；d.邊滾刀安裝后刀刃在設(shè)計(jì)確定的過渡曲線上。

同時(shí)保證滾刀座安裝允許偏差：高度方向?yàn)?～2mm，圓周和徑向偏差為±1mm，水平角度偏差為1°，軸向角度偏差為1°。即保證滾刀座安裝后盡量使各滾刀所受載荷盡量相等，每把滾刀的破巖量也盡量相等，盡量使刀盤掘進(jìn)時(shí)在X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)位置上的受力投影代數(shù)和為零，保證各滾刀的使用壽命、刀盤的破巖效果和延長刀盤的使用壽命及減少掘進(jìn)機(jī)的振動(dòng)。因此滾刀座的安裝精度對(duì)掘進(jìn)機(jī)的性能影響非常大。

3 刀盤的裝配方案

3.1 刀盤各部件裝配順序

滾刀座及鏟斗等各件的安裝均以刀盤中心為基準(zhǔn)，所以首先要先將刀盤各塊進(jìn)行組對(duì)；滾刀座的安裝十分關(guān)鍵，為便于調(diào)整和消除應(yīng)力處理，需先進(jìn)行刀座的焊接安裝；同時(shí)堅(jiān)持先重要后次要，先焊接后組裝和盡量減少刀盤翻個(gè)次數(shù)的原則，由于耐磨板焊接工序環(huán)境惡劣，容易造成零件的二次污染和毀壞滾刀軸承等精密零件，應(yīng)盡量安排在前工序中進(jìn)行。

因此刀盤各部件的裝配基本順序?yàn)椋旱侗P組對(duì)檢測-滾刀座的安裝-鏟斗的安裝-耐磨板的焊接-噴水裝置的安裝-滾刀的安裝。

3.2 刀盤的組對(duì)

刀盤各瓣的組對(duì)工序主要是調(diào)整和檢查刀盤組對(duì)后的直徑尺寸和圓度、平面度，同時(shí)為下步工序做準(zhǔn)備。根據(jù)刀盤的結(jié)構(gòu)形式和上述技術(shù)難點(diǎn)，我需要采取特殊的工藝方法，來保證刀盤的組對(duì)精度。考慮刀盤各瓣尺寸較大，調(diào)整困難，且單獨(dú)制造生產(chǎn)，無組對(duì)統(tǒng)一基準(zhǔn)的問題，為此，在我們要求在刀盤的上面各塊結(jié)合縫處以刀盤中心為基準(zhǔn)加工出數(shù)個(gè)R100mm的基準(zhǔn)面，作為刀盤組對(duì)和檢測的基準(zhǔn)，也作為各瓣法蘭面把和孔的加工基準(zhǔn)，該基準(zhǔn)面在充分考慮各瓣的平面度和直徑尺寸的情況下，以刀盤中心為基準(zhǔn)進(jìn)行加工，位置精度控制在0.1mm，這樣就可以有效地控制刀盤的平面度、圓度和直徑尺寸。

3.3 滾刀座的安裝

以49#-53#邊滾刀座為例，如表1所示，49#-53#邊滾刀分布在不同的角度面上，各滾刀座X、Y和角度方向安裝尺寸要求很嚴(yán)格，采用一般檢測調(diào)整的方法，無法直觀地標(biāo)示出各滾刀座的坐標(biāo)，很難對(duì)各滾刀座位置進(jìn)行精確定位。

表1 49#-53#邊滾刀座安裝位置

為此，需采用特殊的裝配工藝方案，設(shè)法將各滾刀座的安裝坐標(biāo)直觀精確地以刀盤中心為基準(zhǔn)標(biāo)示出來。該工藝方案為將各滾刀座的位置坐標(biāo)標(biāo)示在刀盤檢測樣板上，通過刀盤檢測樣板在刀盤中心部位定位并旋轉(zhuǎn)一周，即可依次標(biāo)示出各滾刀座的位置。刀盤檢測樣板主要由底座、固定柱、卡環(huán)、固定座、刻度板和外輪廓檢測板組成，固定座與固定柱為基孔制間隙配合關(guān)系，并可以通過擰緊卡環(huán)以限制固定座上下方向上的位移?？潭劝逵寐菟ü潭ㄔ诠潭ㄗ?，可以以固定柱為中心自由轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過調(diào)整固定座的來調(diào)整刻度板的高度尺寸。底座通過定位銷定位在刀盤中心，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)中心與刀盤中心重合，刻度板上刻有各滾刀座的軌跡位置線，因此刀盤檢測樣板旋轉(zhuǎn)一周，即可通過刻度板上各滾刀座的軌跡線標(biāo)識(shí)出各滾刀座的位置。

1.底座；2.固定柱；3.卡環(huán)；4.固定座；5.刻度板；6.外輪廓檢測板

圖3 刀盤檢測樣板

刀盤制造過程中要求進(jìn)行2次消除應(yīng)力處理，要求第二次消除應(yīng)力處理為刀座焊接完成后進(jìn)行，以消除刀座焊接產(chǎn)生的焊接應(yīng)力，這就決定了刀盤需經(jīng)2次加工。這樣滾刀座安裝就有兩種方案，第一種方案為第一次初加工各加工面留10mm加工余量，然后組對(duì)焊接嵌塊并進(jìn)行退火消除應(yīng)力處理，然后再焊接組對(duì)左右半刀座，合格后再最終加工刀盤，工序比較復(fù)雜。第二種方案為不進(jìn)行退火處理，改為刀座焊接完成后進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效消除應(yīng)力，此時(shí)就可以先將嵌塊和左右半刀座組對(duì)，再使用工裝進(jìn)行安裝。在滿足刀盤裝配精度的前提下，方案二的工序簡單，工作強(qiáng)度小，效率高，較為合理?，F(xiàn)以第二種方案為例介紹滾刀座的安裝。

（1）刀座孔位置的檢測。刀座孔的位置在刀盤結(jié)構(gòu)件焊接并熱處理后會(huì)存在一定的誤差，故在安裝滾刀座之前要先進(jìn)行刀座孔的位置檢測，主要目的是通過檢測作出刀座的安裝位置刻線，如果存在刀座孔位置存在偏差，則需要檢測偏差值作為修配的依據(jù)。此工序通過刀座孔檢測樣板來實(shí)現(xiàn)，刀座孔檢測樣板上刻有滾刀基準(zhǔn)線和刀具軌跡對(duì)正線，底板的尺寸與刀座組對(duì)后的尺寸相同，可作為標(biāo)記刀座安裝位置的依據(jù)。如圖4所示刀座孔檢測樣板與刀盤檢測樣板上的對(duì)應(yīng)刀具軌跡線對(duì)齊后，達(dá)到要求的偏差值用固定夾固定在刀盤檢測樣板上，隨著刀盤檢測樣板的旋轉(zhuǎn)依次檢測各滾刀孔的位置。

（2）滾刀座的安裝。針對(duì)滾刀座分體式結(jié)構(gòu)形式，為精確保證嵌塊和半刀座之間的尺寸，采用刀座安裝工具進(jìn)行安裝。刀座安裝工具軸部結(jié)構(gòu)形式與滾刀軸部形式一致，可以以滾刀組裝的形式與刀具座進(jìn)行組裝，起到代替滾刀的作用，減小了基準(zhǔn)不重合誤差和滾刀實(shí)際安裝中調(diào)整的誤差，如圖5所示，刀座與安裝工具組對(duì)后即可保證刀座的組對(duì)尺寸，精確可靠。

圖5 刀座安裝工具

刀座安裝工具上刻有滾刀基準(zhǔn)線和刀具軌跡對(duì)正線，安裝時(shí)，如圖4所示，與刀盤檢測樣板上的對(duì)應(yīng)刀具軌跡線對(duì)齊，達(dá)到要求的偏差值，即可依次對(duì)各滾刀座進(jìn)行定位焊接。此方案進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效消除應(yīng)力后再經(jīng)過一次最終檢驗(yàn)即可。

本滾刀座安裝方案以刀盤中心為基準(zhǔn)，一次精確定位，避免了多次測量產(chǎn)生的誤差；刻度板上滾刀軌跡刻線，可方便的標(biāo)識(shí)出各滾刀的實(shí)際工作位置，更直觀準(zhǔn)確，便于尺寸的調(diào)整和檢測，完全滿足刀盤的裝配精度。

3.4 鏟斗的安裝

鏟斗安裝高度尺寸為97mm，比滾刀低38mm，在刀盤外周面上分布角度復(fù)雜，要求高度等位置尺寸嚴(yán)格，安裝過程中調(diào)整位置精度直接影響到刀盤使用中刀具的磨損和石渣的鏟出量。鏟斗的安裝以刀盤中心為基準(zhǔn)，為保證其安裝精度，采用與滾刀座安裝同樣的工藝方法，利用刀盤檢測樣板在刀盤中心定位，借助外輪廓板精確控制鏟斗的安裝位置，依次調(diào)整各鏟斗裝配的高度尺寸，保證鏟斗與刀盤檢測樣板之間的間隙。

4 結(jié)束語

通過對(duì)敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)刀盤的結(jié)構(gòu)形式、工作原理和裝配技術(shù)難點(diǎn)的分析，詳細(xì)介紹了敞開式硬巖掘進(jìn)刀盤的裝配技術(shù)，本裝配技術(shù)方案可精確對(duì)滾刀座和鏟斗等部件進(jìn)行安裝，控制刀盤的整體裝配精度，同時(shí)具有精度高，效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低的特點(diǎn)，完全滿足刀盤的使用性能要求。

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作者簡介：丁洪波（1986-），北方重工集團(tuán)盾構(gòu)機(jī)分公司，工程師。