淺談單護盾TBM刀具的磨損

高海杰，王 耀，吳越斌

GAO Hai-jie, WANG Yao, WU Yue-bin

（北方重工集團有限公司 盾構機分公司，遼寧 沈陽 11041）

1 工程概況

引洮供水一期工程總干渠7＃隧洞工程區(qū)位于甘肅省渭源縣境內，7＃隧洞出口距離蘭州市區(qū)約184km。7＃隧洞全長17286m，橫斷面形式為圓型，凈斷面尺寸(直徑)D=4.96m，設計縱坡均為1/1650，設計流量32m3/s，加大流量36m3/s。

7＃隧洞圍巖主要由上第三系（N2L3）泥質粉砂巖、粉（砂）質泥巖、砂礫巖、（含礫）砂巖、疏松砂巖等組成，巖性軟弱，互層狀分布，相變劇烈。巖層產狀平緩，受構造影響輕微，斷裂裂隙不發(fā)育，僅發(fā)育舒緩短軸褶皺，總體上富水性較差。隧道碴土性狀：磚紅色泥巖，干燥無水，碴土多數(shù)呈碎片狀，最大塊徑約為15cm。工程地質條件判斷：V，巖性較堅硬。地下水情況:無。

2 單護盾TBM盤形滾刀的刀具磨損分析

單護盾TBM的刀盤及刀具的整體布置圖如圖1所示。

圖1 刀盤刀具整體布置圖

盤形滾刀是為開挖巖石的硬度大于12個硬度單位的工況而設計的。承受循環(huán)正應力，滾刀切削部分的材料應具有HRC(洛氏硬度)50～60之間的高硬度。引洮單護盾TBM使用的刀圈是意大利palmieri的品牌。標注鋼刀圈的硬度400kg/cm2。

2.1 滾刀受力及破巖機理

滾刀在滾壓巖石的過程中，刀刃與巖石之間主要都存在兩個方向相互作用力。

1）法向推壓力FN，指向開挖面，由刀盤的推力提供。

2）切向滾動滾壓力FR，指向滾刀切向，由刀盤轉矩提供。

切向滾動滾壓力主要取決于推力、貫入度及滾刀直徑。盤刀直徑一定，貫入度越大，所需滾動滾壓力越大；貫入度確定時，滾動滾壓力隨盤刀直徑的增大而減小。

TBM工作時，滾刀在推力作用下緊壓在巖面上，隨著刀盤的旋轉，盤形滾刀一方面繞刀盤中心軸公轉，同時繞自身軸線自轉。盤形滾刀在刀盤的推力和轉矩共同作用下，在掌子面上切出一系列同心圓溝槽。刀盤旋轉并壓入巖石的過程中，滾刀對巖石將產生擠壓、剪切、拉裂等綜合作用，使之成為巖石碎片，達到開挖的目的。

2.2 引洮單護盾TBM掘進情況

表1中TBM各個參數(shù)的匹配，為尋求掘進的最佳速度以及對滾刀刀圈磨損量的計算提供依據(jù)。

表1 TBM掘進參數(shù)

TBM施工中17英寸滾刀換刀要求：M1～M35磨損量達到25mm；M36～M38磨損量達到20mm；M41、M42磨損量達到20.5mm。

下面以施工里程K63+216～K62+003中的一段進行分析，中心滾刀軌跡M01～M08，刀具磨損量1～4.5mm；正滾刀軌跡M09～M38，刀具磨損量3～7.5mm；邊滾刀軌跡M40～M41,刀具磨損8～10.5mm。

滾刀軌跡M01～M42是一組同心圓（圖2），刀盤轉一圈各個滾刀的行程S=2πR(R是滾刀中心線到刀盤軸線的垂直距離)。

圖2 滾刀軌跡布置圖

根據(jù)以上數(shù)據(jù)總結：①中心滾刀行程最小，磨損率最小；邊刀行程最大，磨損率最大，刀具磨損量基本符合由中心到邊緣增大的趨勢；②相鄰兩把刀的高差應控制在15mm左右，最大不超過25mm，目的是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幾倍，使盤形滾刀的損壞幾率增加；③刀圈的磨損極限為15～25mm。中心滾刀換刀時以4把為一組(其中有一把滾刀的刀圈磨損超過25mm時就可以換刀)；邊刀發(fā)現(xiàn)磨損刀轂，刀圈磨損小于20mm時也可以考慮換刀，邊刀的更換頻率較大，刀圈要選擇硬度更強的材料；④更換刀具后要控制掘進速度，3個掘進循環(huán)后必須檢查刀具螺栓，來保護邊滾刀不受磨損。

2.3 盤形滾刀刀圈失效分析

刀圈是影響滾刀工作壽命的關鍵易損件之一，它直接接觸破碎巖石，刀圈破巖時，承受的力由徑向力、軸向力、切向力組成，在刀圈受載滾動侵入巖石時，首先通過刀圈刃角，利用刀圈推力擠壓破碎巖石，產生巖石破碎體；其次刀刃嵌入巖石形成凹槽，擠壓離在凹槽兩側形成拉力剪力破壞巖石。

引洮單護盾TBM使用的刀圈是平韌刀圈，它的材料是高鈦鋼，具有硬度高、不磨損、不變形。單護盾TBM現(xiàn)場掘進施工情況的分析，刀圈磨損失效主要情況有：正常磨損、弦磨、偏磨、刀圈斷裂、刀圈脫落和由于擋圈損壞造成刀圈損壞。引洮單護盾TBM現(xiàn)場掘進施工刀圈磨損主要原因是正常磨損，但也會遇到刀圈弦磨的情況。

2.4 整刀刀具失效分析結論

刀具的正常失效原因是由于沖擊載荷引起的，主要包括：軸承損壞、刃磨、崩刃、刀體磨損、端蓋損壞、緊鎖塊損壞和螺栓預緊失效而產生的失效。

刀具的非正常失效有：潤滑油漏出、浮動密封損壞、泥砂進入軸承造成的軸承失效、刀圈材質及金相組織不好造成的斷裂以及熱處理沒有達到技術要求造成的壓潰和卷邊等。

3 盤形滾刀刀具磨損解決辦法

在刀具裝配過程中，嚴格按照裝配工藝實施，軸承的預緊力矩要符合規(guī)定數(shù)據(jù)，潤滑和密封都要可靠，在現(xiàn)場安裝刀座時，必須擰緊螺栓至規(guī)定扭矩。應對刀圈的機械性能進行嚴格檢查；如金相組織檢查，無損探傷，硬度測試等。

在換刀過程中，檢查刀座是否產生裂紋，螺栓是否松動，刀刃是否出現(xiàn)刃崩，磨損是否超過規(guī)定。焊接擋圈時，上面放置一塊銅制的引弧板來引弧，還以防止電火花打在刀圈上。根據(jù)工作面的地質情況和巖石的物理性質及時調整掘進機的推進壓力和掘進速度。 O