DZ245型盾構(gòu)機盾體制造工藝研究

王 龍，張彩玲，史澤華

（蘭州蘭石重工有限公司，甘肅 蘭州730050）

DZ245型盾構(gòu)機盾體制造工藝研究

王 龍，張彩玲，史澤華

（蘭州蘭石重工有限公司，甘肅 蘭州730050）

以DZ245型土壓平衡盾構(gòu)機制造項目為基礎(chǔ)，分析了盾構(gòu)機盾體的制造加工難點，論述了盾體的加工方法和工藝流程?；诓捎煤侠淼募庸すに嚰傲鞒痰目刂疲ＷC了盾體達(dá)到設(shè)計要求。在盾構(gòu)機制造方面積累了成熟經(jīng)驗，對同類盾構(gòu)機的生產(chǎn)制造具有借鑒意義。

盾構(gòu)機；盾體；制造工藝

隨著我國軌道交通建設(shè)的快速增長，作為集成了機械、電氣、液壓、控制等系統(tǒng)的一體化核心施工設(shè)備——盾構(gòu)機在地鐵、市政、公路等交通建設(shè)工程中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛和重要[1]。從整機進(jìn)口到零部件自制再到全套設(shè)備自主研發(fā)制造，盾構(gòu)機的國產(chǎn)化發(fā)展開啟了嶄新的飛速發(fā)展時期。

土壓平衡式盾構(gòu)機，也稱泥土加壓式盾構(gòu)機，屬于密閉式盾構(gòu)機的典型代表。其外部為鋼結(jié)構(gòu)殼體，內(nèi)部安裝有推進(jìn)、排土、襯砌等設(shè)備，這種結(jié)構(gòu)使其既可以承擔(dān)周圍巖體的壓力，并且還要在地層中掘進(jìn)，是一個機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部件數(shù)量龐大且功能多樣的隧洞成型掘進(jìn)裝備[2]。盾構(gòu)機具有科技含量高、制造工藝復(fù)雜、產(chǎn)品附加值高等特點，表征著大型掘進(jìn)設(shè)備的最高技術(shù)水平[3]。近年來，國內(nèi)許多裝備制造企業(yè)爭相研發(fā)和獨立制造盾構(gòu)機產(chǎn)品，但研發(fā)技術(shù)相對薄弱，制造成熟經(jīng)驗欠缺。因此，盾構(gòu)機的制造工藝研究具有重要的現(xiàn)實意義。本文所述的DZ245型土壓平衡式盾構(gòu)機，是由中國鐵建重工集團(tuán)自主設(shè)計，委托蘭石重工公司完成制造，它將用于中鐵七局承建的蘭州市軌道交通2號線一期工程中。

1 DZ245型盾構(gòu)機盾體結(jié)構(gòu)

DZ245型盾構(gòu)機是我公司與鐵建重工合作制造的首臺產(chǎn)品，我公司主要負(fù)責(zé)制造盾體以及推進(jìn)設(shè)備等主要部件。盾構(gòu)機盾體結(jié)構(gòu)主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，如圖1所示，它們均是由厚鋼板焊接而成的筒體結(jié)構(gòu)，是承受地層壓力及外載荷的核心部件，DZ245盾構(gòu)機盾體的最大直徑為6 440 mm，其中前盾長2 100 mm，厚度50 mm，重量57 155 kg；中盾長2 790 mm，厚度40 mm，重量85 341 kg；尾盾長3 630 mm，厚度40 mm，重量31 722 kg.

圖1 盾體結(jié)構(gòu)示意圖

前盾也稱為切口環(huán)，位于盾體的前端，它與刀盤驅(qū)動機構(gòu)連接在一起，其內(nèi)部安裝有壓力隔板，通過調(diào)節(jié)推力來穩(wěn)定土倉內(nèi)部的壓力，從而保持了掘進(jìn)工作面的穩(wěn)定性。中盾也稱為支撐環(huán)，由連接法蘭與前盾鉸接相連，主要安裝布置了液壓設(shè)備、動力輸出設(shè)備、管片拼裝機和操作臺等，它是盾體的主體骨架結(jié)構(gòu)，具有很高的強度和剛度。盾尾位于盾體末端，由鉸接裝置和中盾相連，其后部安裝注漿及密封機構(gòu)，用于阻隔掘進(jìn)中泥水及壓注材料進(jìn)入盾體內(nèi)部，同時進(jìn)行圍巖間隙的注漿作業(yè)。

2 盾體制造工藝

盾體是盾構(gòu)機的核心結(jié)構(gòu)件，其直徑大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工部件多、制造及焊接工作量大，對構(gòu)件尺寸和幾何精度要求很高[4]。該項目工期要求緊，從接到訂單算起6個月后交付產(chǎn)品。因此，研究和確定高效合理的制造工藝及流程十分重要。制造過程中應(yīng)用適當(dāng)?shù)墓に嚧胧5]，最后組裝完成整體盾體，對于克服技術(shù)難點，高質(zhì)量地完成制造任務(wù)具有重要意義。以下就盾體的制造工藝及流程進(jìn)行分析介紹。

2.1 技術(shù)難點

經(jīng)過對盾構(gòu)機的圖紙資料及技術(shù)要求進(jìn)行深入分析和研究，盾體的加工制造存在以下幾方面的難點：盾體直徑大，壁厚薄，剛性差，制造及加工精度要求高。盾體焊接工作量大，盾體結(jié)構(gòu)件焊接時的收縮變形難以控制。制造和技術(shù)經(jīng)驗不足，沒有成熟的制造方法和工藝流程。

2.2 下料和卷圓

盾構(gòu)機的盾體實質(zhì)為大尺寸活動鋼結(jié)構(gòu)筒體，通常采用分段式制造后組裝拼接成整體的方法。盾體所用鋼板材料為Q345B，筒體全部采用2塊鋼板拼接卷圓而成。卷圓前每端壓頭各留200 mm，然后放置在三心軋輥上卷制成對角相接的整圓。盾體殼體均為一道縱焊縫，采用分段對稱焊，焊接過程中逐步調(diào)整并至少測量三環(huán)圓度，去壓頭對接坡口割出并打磨，修正后再采用CO2氣保焊多層多道焊接，以便控制變形。焊后筒體呈自由狀態(tài)下校圓及探傷，保證筒體橢圓度在3 mm以內(nèi)，母線與端面垂直度在1.5 mm以內(nèi)，退火處理后檢查整體變形以保證加工余量均勻，其它尺寸和焊縫精度滿足圖紙要求。其余各類面板和加強筋板均采用數(shù)控切割下料并準(zhǔn)備對焊坡口，保證切割邊緣無毛刺、尖角、割渣，清除焊件表面的鐵銹等雜質(zhì)，距離焊縫20～50 mm位置進(jìn)行打磨見金屬光澤，拼焊件組裝前用油壓或火焰校平。

2.3 盾體制造工藝

前盾結(jié)構(gòu)如圖2所示，筒體內(nèi)部安裝有中心圓環(huán)、主驅(qū)動、輸送機、土壓傳感器等，筒體內(nèi)隔板和中心圓環(huán)連接，周邊輔助若干加強筋板。前盾殼體呈微錐形（即任意輪廓直徑后部小于前部），因此數(shù)控氣割下料展開時大端+5～+8 mm，小端0～+3 mm，考慮到焊接收縮量，筒體寬度預(yù)留20 mm的加工余量。整個圓周由軸向3環(huán)，徑向8個測量點測量變形情況，若有變形超差需進(jìn)行火焰修整。劃十字中心線，延伸至周邊母線，兩端引通，打上樣沖點及標(biāo)記位置線。完畢后點裝工裝支撐圈，調(diào)整至機床刀桿可以繞到的合適位置，保證與筒壁間隙20～30 mm.加工設(shè)備為CK5280立車，按盾體0°～270°四點定位裝夾，按外圓找正3 mm以內(nèi)，法蘭面向上，調(diào)整法蘭端面水平線在0.5 mm以內(nèi)，為便于排屑工件平放，粗車端面及外圓，左端面車30°斜面，保證壁厚最薄處不小于15 mm.機床切削速度5 m/min，車刀吃刀深度5 mm，走刀量0.4 mm，加工時單邊留1～1.5 mm加工余量。

圖2 前盾結(jié)構(gòu)簡圖

法蘭均分6塊拼接，準(zhǔn)備雙面X型45°夾角的對稱坡口，直徑方向放量20 mm.火焰校平接頭，平面度≤3 mm.按外圓找正，粗車外圓至φ6 465 mm.隔板均分4塊拼接，外圓為35°夾角坡口，外徑和內(nèi)孔單面加工留量15 mm，點裝工藝支撐圈。隔板外圓與筒體配車，內(nèi)孔與中心法蘭配車，單邊留間隙3 mm.鏜床T6926按已加工外圓找正，找正誤差0.05 mm以內(nèi)，與筒體配鏜φ1 070 mm，劃0°～270°四點標(biāo)記線和φ1 070 mm孔十字線，打上樣沖點后進(jìn)行組焊。擋泥錐板均分4塊拼接，卷制成型后由鉚工校型。無壓頭錐板圓周方向每段余量50 mm，加工藝支撐圈控制變形，開孔后割除支撐圈回彈2～3 mm.

尾盾結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由筒體、注漿板、密封環(huán)板、連接環(huán)、鉸接油缸座等組成。整體卷圓后外徑為φ6420，點裝工裝支撐圈后校形保證圓度≤3 mm，母線與端面垂直度≤1.5 mm.整個圓周由軸向3環(huán)，徑向8個測量點測量變形情況，若超差需進(jìn)行火焰修整。CK5280立車按外圓找正，筒體外圓圓度≤3 mm，右端面朝下，以連接環(huán)尺寸為基準(zhǔn)車內(nèi)孔，注意控制走刀及振動，多次測量壁厚的均勻情況。按連接環(huán)外圓找正≤0.5 mm，連接環(huán)內(nèi)圓與筒體配車尺寸φ6340，車兩處45°倒角。進(jìn)行時效處理控制筒體和連接環(huán)的變形，保證圓度和垂直度要求。筒體內(nèi)點裝支撐工裝圈控制變形，劃鉸接支座和防扭板位置線，鉸接油缸座加工至外形尺寸并按圖焊接，保證盾尾鉸接支座總成周向偏離±3 mm以內(nèi)。內(nèi)徑為φ6260 mm盾尾密封環(huán)板均分4塊拼接，保證圓度≤3 mm，在長度方向兩端各鉆4個φ10塞焊孔。寬度按200 mm加工，車外側(cè)C10坡口和內(nèi)側(cè)30°坡口，其余劃放樣線組焊后加工。按照注漿板和油脂板位置線進(jìn)行焊接拼裝。最后裝配防扭板，整體校形保證圓度≤3 mm和垂直度≤2 mm.

圖3 尾盾結(jié)構(gòu)簡圖

2.4 盾體裝配工藝流程

盾體制造完成后，進(jìn)行兩兩組合裝配。由于盾體內(nèi)安裝部件繁多，故裝配時應(yīng)合理計劃次序，如圖4所示的前盾和中盾裝配工藝流程為例，前盾和中盾在平臺上進(jìn)行裝配，先檢查平臺及盾體端面的平面度，筒體內(nèi)標(biāo)記焊接部件的位置線，使前盾法蘭朝下，中盾朝上進(jìn)行對接裝配，然后整體機加工法蘭，裝配工藝定位銷及緊固連接螺栓，最后用塞規(guī)檢查間隙均勻，整圈塞全部無縫則裝配合格，中盾和尾盾的裝配與此類似。

圖4 前、中盾制造工藝流程

3 盾體的焊接工藝

盾構(gòu)機制造過程中焊接工作量巨大、消耗時間長、焊接質(zhì)量要求嚴(yán)格。盾體焊接形式復(fù)雜，焊縫種類多，焊接變形量難以控制。盾體焊接過程中必須有效降低焊接殘余應(yīng)力來減小變形，最大程度減少焊接變形對盾體加工精度的影響[6]。因此，必須采取合理的焊接工藝。

盾體的鋼板材料為Q345B，它作為低碳鋼有較好的力學(xué)性能，其CE=0.44%，當(dāng)公稱厚度≤63mm，CE=0.4%～0.6%時，鋼材的淬硬傾向增大，焊接時采取預(yù)熱及控制溫度等工藝措施。根據(jù)母材成分來選擇合適的焊材，CO2氣體保護(hù)焊[7]成本低，抗銹強，焊后無需清渣。盾體焊接選用牌號為E501T-1的藥芯焊絲，直徑φ1.2 mm，焊接參數(shù)見表1，筒體耐磨層堆焊選用φ1.2 mm的伊薩OK Autrodur56 GM焊絲。

表1 盾體焊接參數(shù)

合理的焊接順序有利于減小焊接過程中的拘束度控制變形。先焊縱焊縫，再焊橫向焊縫，先定位焊，再進(jìn)行打底焊和填充焊。定位焊、打底焊、填充焊依次按照先焊對接立焊縫再角焊縫，最后焊環(huán)焊縫的順序。先焊接收縮量大的焊縫，有效減小對前一道焊縫的影響。焊前焊縫采用預(yù)熱法，減小所焊接部位與整體的溫差。焊縫兩側(cè)大于100 mm寬度的區(qū)域預(yù)熱至100～150℃，每層焊接時清理打磨焊道，各層道相連接的部位相互錯開約30 mm.焊縫長度范圍為3～15 m，焊縫坡口形式為雙Y型60°坡口，鈍邊2 mm，焊縫兩側(cè)30 mm區(qū)域進(jìn)行打磨。需要進(jìn)行探傷的焊縫，拼板要全焊透，坡口的拼板背面清根至少4 mm，對較厚的板焊接和探傷要交替進(jìn)行。所有焊接部位，焊后必須清除焊渣、打磨飛濺及焊瘤、修整偏心等。

4 結(jié)束語

本文針對DZ245型盾構(gòu)及盾體的制造工藝進(jìn)行研究，分析了盾體的制造技術(shù)難點，確定了前盾及尾盾的制造工藝，提出了焊接工藝的具體參數(shù)及合理的焊接工序，此種制造工藝及流程具有效率高、成本低的特點，成功克服了盾體制造的技術(shù)難點，保證了盾體的技術(shù)要求和生產(chǎn)進(jìn)度計劃。通過上述工藝方案的實施，公司順利完成了首臺盾體的制造任務(wù)。

本文闡述的盾體制造工藝為其它同類復(fù)雜大型薄壁筒體結(jié)構(gòu)件的制造提供了成熟可靠的經(jīng)驗方法，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

[1]郭陜云.盾構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展方向[J].建筑機械化，2009（07）：89-93.

[2]吳笑偉.國內(nèi)外盾構(gòu)技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].建筑機械，2008（15）：69-73.

[3]黃平華.巖石掘進(jìn)機刀具消耗預(yù)測研究[J].隧道建設(shè)，2008，28（3）：373-375.

[4]黃慶斌，張 平.大直徑泥水盾構(gòu)機盾體的加工[J].金屬加工，2010（8）：30-31.

[5]劉智香.超大直徑盾構(gòu)機的組裝技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù)，2009（4）：60-64.

[6]李 多，韓雪東.Q345B鋼盾構(gòu)機的焊接工藝研究[J].金屬加工，2009（16）：49-50.

[7]張 靜，徐 山.面向盾構(gòu)機制造的移動式焊接機器人的研制[J].焊接技術(shù)，2015（8）：56-58.

Shield Body Manufacturing Process for DZ245 Shield Machine

WANG Long，ZHANG Cai-ling，SHI Ze-hua
（Lanzhou LanShi Heavy Industry Co.，Ltd.，Lanzhou Gansu 730050，China）

This paper is based on the DZ245 earth pressure balance shield machine manufacturing project，analyzes the difficulties in the manufacture and processing of shield machine，and discusses the processing method and technological process of shield.Based on the reasonable processing technology and process，to ensure the design requirements of the shield.In the field of shield machine manufacturing，it has accumulated mature experience，which has reference significance for the production of the same kind of shield machine.

shield machine；shield body；manufacturing process

U455.3

A

1672-545X（2017）09-0041-03

2017-06-10

王 龍（1988-），男，甘肅蘭州人，碩士研究生，研究方向為通用機械設(shè)計與制造。