全斷面隧道掘進機（TBM）盤形滾刀刀軸斷裂失效分析

張凌，張愛武，于永生，李樹元，高雪竹

（1.吉林省維爾特隧道裝備有限公司，吉林 吉林市132011;2.吉林省盾構(gòu)與掘進刀具技術(shù)重點實驗室，吉林 吉林市132011;3.中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州471009）

0 引言

全斷面隧道掘進機（TBM）使用的盤形滾刀由多個零部件組成，主要有：刀圈、刀體、軸承、密封和刀軸等。其中刀軸（見圖1）支承整個刀具破巖的載荷，以某TBM機型為例，推力達35 t。由于使用工況復(fù)雜，在作業(yè)過程中又受到較大的沖擊力，在設(shè)計時要求刀軸具有足夠高的抗疲勞強度、優(yōu)良的沖擊韌度。材質(zhì)一般采用合金鋼，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理達到良好的綜合力學(xué)性能。刀軸斷裂在TBM失效案例中極為罕見，尤其是脆性斷裂。

某施工單位使用的TBM盤形滾刀，在項目現(xiàn)場掘進中頻發(fā)刀軸斷裂事故，先后有幾十根刀軸發(fā)生斷裂，導(dǎo)致TBM掘進機無法正常使用，該施工單位委托我公司作為第三方進行檢測維修,為了找到刀軸斷裂的主要原因，進行了以下分析。

圖1

1 分析過程

盤形滾刀的結(jié)構(gòu)為：上下端蓋和軸承內(nèi)圈固定在刀軸上，刀體固定在軸承外圈上，刀圈與刀體通過過盈配合裝配，密封組件安裝在刀具內(nèi)。刀軸起重要的支撐和固定刀具的作用，滾刀工作時刀圈隨刀體旋轉(zhuǎn)，并通過上、下兩端浮動油封密封，刀軸兩端固定在刀箱上，支撐和固定刀具并隨刀盤轉(zhuǎn)動，通過TBM掘進機的推力實現(xiàn)破巖的目的。

這種結(jié)構(gòu)形式的刀具特點是：刀圈和上下端蓋為盤形、刀體為筒狀體，在正常工作時，破巖時產(chǎn)生的反作用力通過刀圈、刀體和軸承作用到刀軸上，使得刀軸承受巨大的徑向力。

刀軸斷裂斷口位于O型圈槽與臺階的過渡處，斷口面比較平整（見圖2）。盤形滾刀經(jīng)解體后發(fā)現(xiàn)：軸承、密封等完好，但上端蓋內(nèi)孔有多處劃傷痕跡；刀軸上的O型圈已損壞，出現(xiàn)多處拉傷和變形。

2 理化分析及無損檢測

2.1 化學(xué)成分分析

圖2

用光譜分析儀進行了光譜分析，分析結(jié)果見表1。

從以上分析數(shù)據(jù)可以得知：刀軸材料的化學(xué)成分檢測值均在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，刀軸的材質(zhì)符合GB/T3077材料的要求。

2.2 力學(xué)性能試驗

斷裂刀軸加工成拉伸試樣，在WE-60型萬能材料試驗機上進行拉伸試驗，試驗結(jié)果見表2。

從以上試驗數(shù)據(jù)可以得知：刀軸的力學(xué)性能是不達標(biāo)的。為了研究力學(xué)性能偏低的原因，對此進行了微觀的組織分析。

2.3 微觀組織分析

取樣部位為刀軸斷裂面，縱截面金相組織為珠光體與鐵素體 （見圖3），而且呈連續(xù)帶狀分布，帶狀組織達到5級（按GB/T13299-1991 C系列評級標(biāo)準(zhǔn)）。組織中鐵素體晶界清晰可見，珠光體帶寬窄不一（見圖4）。

表1 材料化學(xué)成分分析結(jié)果

表2 材料力學(xué)性能試驗結(jié)果

從圖4明顯看出：鐵素體和珠光體呈帶狀交替分布，呈現(xiàn)出較為明顯的帶狀組織，內(nèi)部組織極不均勻。低合金鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，內(nèi)部應(yīng)分布較為均勻的回火索氏體組織。圖5為試樣經(jīng)合理熱處理工藝進行調(diào)質(zhì)處理的金相組織。

2.4 表面硬度檢測

刀軸在臺式硬度試驗機上檢測硬度，其表面硬度59～62HRC，為表面高頻處理。

圖3 500×

圖4 500×

圖5 500×

2.5 無損檢測

分別對折斷刀軸按NB/T 47013-2015的規(guī)定進行了磁粉和超聲波探傷檢驗，結(jié)果顯示：表面及內(nèi)部無超標(biāo)缺陷。

2.6 刀軸內(nèi)部硬度檢測

刀軸內(nèi)部試樣在臺式硬度試驗機上檢測硬度，其硬度 38～42HRC。

3 零件尺寸檢測

用卡尺和千分尺對刀軸和相關(guān)組件等關(guān)鍵零部件進行尺寸檢測，刀軸退刀槽為5×5 mm矩形槽，退刀槽至外徑高頻處理處距離為零，也就是說，高頻處理的范圍至刀軸退刀槽為5×5 mm矩形槽邊緣。

若刀軸退刀槽為矩形槽，在退刀槽尖角處則在刀軸熱處理時易產(chǎn)生缺陷，高頻處理的范圍至刀軸退刀槽為5×5mm矩形槽邊緣，刀軸表面硬度突變至薄弱處，刀軸難以承受巨大的扭矩和剪切力。

4 結(jié)束語

造成此批次刀軸斷裂的主要原因有：退刀槽設(shè)計形式不當(dāng)；刀軸材料的熱處理工藝不當(dāng)，導(dǎo)致刀軸應(yīng)力集中，從而造成刀軸斷裂。