盾構(gòu)機關(guān)鍵零部件再制造修復(fù)技術(shù)綜述

李方義 戚小霞 李燕樂 王黎明 杜際雨 許京偉 孟曉寧

1.山東大學(xué)機械工程學(xué)院 高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，濟南，2500612.濟南重工集團有限公司，濟南，250109

0 引言

20世紀(jì)90年代，中國工程院徐濱士院士在我國首次提出了再制造概念[1]，掀起了再制造行業(yè)發(fā)展的浪潮。再制造[2-3]是以損傷失效的整機或零部件為對象，通過拆解、清洗、檢測分類、再制造修復(fù)、裝配、再檢測等工序，實現(xiàn)其質(zhì)量和性能不低于新品的批量化制造過程，具有突出的節(jié)能減排效果。

近年來，隨著國內(nèi)地下空間開發(fā)利用的蓬勃發(fā)展，隧道施工里程逐年攀升，盾構(gòu)機的需求量不斷增加[4]。由于盾構(gòu)機服役環(huán)境惡劣、受力情況復(fù)雜，保有盾構(gòu)機已出現(xiàn)報廢閑置現(xiàn)象，還有部分盾構(gòu)機使用性能下降，逐漸接近使用壽命。作為一種大型投資設(shè)備，盾構(gòu)機技術(shù)附加值高、制造工藝復(fù)雜，不管是廢棄還是“回爐重造”都極大地造成了資源和能源浪費。再制造不僅能使報廢的盾構(gòu)機恢復(fù)正常使用功能，還可以根據(jù)不同施工環(huán)境對適應(yīng)性較為單一的盾構(gòu)機進行升級性再制造，因此，開展盾構(gòu)機再制造是降低企業(yè)施工成本、減少資源浪費和環(huán)境污染的有效途徑，有助于推動我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施。

為進一步推動盾構(gòu)機再制造修復(fù)技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，本文介紹了近年來我國盾構(gòu)機再制造的發(fā)展現(xiàn)狀，梳理了盾構(gòu)機主軸承、刀具刀盤、液壓系統(tǒng)、減速機、螺旋輸送機等關(guān)鍵零部件再制造的研究成果，介紹了激光熔覆、熱噴涂、冷噴涂、冷焊等修復(fù)技術(shù)在盾構(gòu)機再制造方面的潛力，最后展望了盾構(gòu)機再制造的發(fā)展趨勢。

1 盾構(gòu)機再制造發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，市場盾構(gòu)機需求量和保有量持續(xù)增加。截至2019年底，國內(nèi)市場盾構(gòu)機保有量已超過2500臺套，且仍以年平均300臺套的速度增加[5]。與此同時，前期投入使用的盾構(gòu)機閑置或超期服役問題日益突出，加之盾構(gòu)技術(shù)的更新升級，保有盾構(gòu)機的升級性再制造需求日益迫切。再制造可以迅速填補市場對盾構(gòu)機的需求，因此，盾構(gòu)機再制造產(chǎn)業(yè)具有廣闊的市場發(fā)展前景。

然而，目前我國盾構(gòu)機再制造產(chǎn)業(yè)尚處于規(guī)劃發(fā)展階段，相關(guān)廠家主要以制造銷售新機為主，有關(guān)盾構(gòu)機再制造方面的研究較少，應(yīng)用還不成熟[6]。歐美等地的再制造以換件法和修理尺寸法為主[7]。換件法再制造的盾構(gòu)機吸收了最新技術(shù)成果，可達到甚至超過原型新機的壽命，但報廢零部件的資源利用率較低；修理尺寸法操作簡單，延長了復(fù)雜貴重件使用壽命，但犧牲了零件的互換性且再制造次數(shù)有限。我國汽車、航空等行業(yè)的再制造以“尺寸恢復(fù)和性能提升”為特色，能夠從根本上解決資源和能源浪費問題，但是在盾構(gòu)機中的再制造應(yīng)用實踐較少。因此，盾構(gòu)機再制造修復(fù)水平的提升成為了凸顯我國盾構(gòu)機再制造優(yōu)勢的關(guān)鍵點。

為支持和引導(dǎo)盾構(gòu)機再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國家政府部門發(fā)布系列關(guān)鍵政策和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為盾構(gòu)機再制造提供了發(fā)展機遇。其中，2016年，國家工業(yè)和信息化部開始設(shè)立盾構(gòu)再制造試點單位的施工企業(yè)；2017年，工信部發(fā)布了《高端智能再制造行動計劃(2018—2020年)》，重點提出要加強盾構(gòu)機整機及關(guān)鍵件再制造技術(shù)的推廣應(yīng)用。2019年，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會正式批準(zhǔn)發(fā)布了全國首個關(guān)于全斷面隧道掘進機(TBM)再制造的國家標(biāo)準(zhǔn)，對全斷面隧道掘進機的再制造流程、再制造性評估、再制造總體方案制定、再制造設(shè)計等一般要求以及刀盤、主驅(qū)動單元、后配套系統(tǒng)等主要系統(tǒng)及部件的再制造要求做了明確規(guī)定。

相關(guān)企業(yè)的技術(shù)人員和學(xué)者對盾構(gòu)機高附加值關(guān)鍵零部件進行再制造研究，取得了一些成果。表1梳理了近幾年部分盾構(gòu)機再制造企業(yè)研究應(yīng)用成果，從中可以看出，中鐵工程裝備集團盾構(gòu)再制造有限公司、中建交通建設(shè)集團有限公司、中鐵隧道局集團有限公司、中國鐵建重工集團股份有限公司等多家大型企業(yè)已成為我國盾構(gòu)再制造行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，采用多種再制造技術(shù)恢復(fù)報廢盾構(gòu)機的使用性能、提升落后盾構(gòu)機的性能參數(shù)，在加快盾構(gòu)再制造行業(yè)發(fā)展的同時，推動了盾構(gòu)機零部件國產(chǎn)化。

表1 部分企業(yè)盾構(gòu)機再制造研究應(yīng)用成果Tab.1 Researches and applications of shield machineremanufacturing of related enterprises

近年來，我國在盾構(gòu)機制造和應(yīng)用上不斷取得新進展，但由于盾構(gòu)機再制造還處于探索應(yīng)用階段，相關(guān)的再制造經(jīng)驗較少，在取得一些成果的同時仍存在一些問題和挑戰(zhàn)。

(1)再制造技術(shù)有待提高。①再制造清洗方面，針對高溫焚燒和熱堿溶液等清洗方法存在高污染、高能耗等問題，激光清洗、超聲清洗等綠色清洗技術(shù)已逐步應(yīng)用于盾構(gòu)機污物的清洗，但一些復(fù)雜件和復(fù)雜污物的清洗仍需要人工參與，且清洗效果的高效自動化檢查手段還比較缺乏。②再制造修復(fù)方面，盾構(gòu)機零部件損傷形式復(fù)雜多樣，殘余應(yīng)力、內(nèi)部裂紋、疲勞層的存在對產(chǎn)品修復(fù)水平提出了更高要求。我國主要采用堆焊技術(shù)修復(fù)盾構(gòu)機損傷零部件，修復(fù)后的零部件大多能夠滿足使用要求，但堆焊熱影響較大，焊層質(zhì)量不易控制，對再制造零部件性能提升有限。③再制造評估方面，我國盾構(gòu)機關(guān)鍵零部件可靠性與壽命評估研究較少，一般采取掘進一定標(biāo)段后停機檢測的方法，增加了施工成本且難以避免關(guān)鍵零部件在作業(yè)過程中損傷或失效。④廢舊件回收方面，我國廢舊零部件的回收方式和回收渠道較為傳統(tǒng)，逆向物流技術(shù)仍處于探索階段，還存在多維回收體系復(fù)雜、正逆向物流集成差、信息管理難度大等問題，還未形成完善有序的舊件回收逆向物流系統(tǒng)。

(2)缺乏政策引導(dǎo)。再制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受國家政策影響較大，目前支持盾構(gòu)機再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策文件陸續(xù)發(fā)布，但相關(guān)細則不完善、可操作性不明確，在一定程度上阻礙了再制造企業(yè)的發(fā)展。

(3)缺乏再制造相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。盾構(gòu)機產(chǎn)品型號多樣、制造系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，全面合理的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定還需進一步探索。當(dāng)前開展的盾構(gòu)機再制造項目，基本參考其他機械設(shè)備再制造有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定盾構(gòu)機再制造各項標(biāo)準(zhǔn)，對再制造盾構(gòu)機的質(zhì)量及其市場信譽度均造成了不良影響。

(4)再制造概念模糊。部分企業(yè)將再制造的產(chǎn)品理解為維修或翻新產(chǎn)品，一些工程招標(biāo)單位和施工企業(yè)對再制造盾構(gòu)機的質(zhì)量持懷疑態(tài)度，再制造產(chǎn)品的市場響應(yīng)度不高。

(5)再制造認(rèn)證困難。盾構(gòu)機再制造涉及機械、液壓、控制等多個領(lǐng)域，需要與各專業(yè)企業(yè)合作，但各分包企業(yè)取得國家的再制造認(rèn)可較為困難。

當(dāng)前我國盾構(gòu)機再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展還不成熟、不完善，再制造盾構(gòu)機質(zhì)量參差不齊，使再制造盾構(gòu)機的市場認(rèn)可度較低，招標(biāo)單位和施工企業(yè)更傾向于選擇新品盾構(gòu)機。因此，需要明確盾構(gòu)機再制造水平現(xiàn)狀，以更好地解決發(fā)展中的不足，提升盾構(gòu)機再制造水平和再制造盾構(gòu)機產(chǎn)品質(zhì)量，真正賦予再制造盾構(gòu)機高質(zhì)量、低成本的市場優(yōu)勢。

2 盾構(gòu)機關(guān)鍵零部件再制造

主軸承、刀具刀盤、螺旋輸送機、中心回轉(zhuǎn)體、盾殼、液壓系統(tǒng)等是盾構(gòu)掘進施工過程中關(guān)鍵部件，其制造工藝復(fù)雜、附加值高，再制造修復(fù)意義重大。

圖1所示為盾構(gòu)機的再制造流程。廢舊盾構(gòu)機拆解后零部件可分為三類：經(jīng)過清洗檢驗合格可繼續(xù)使用的，不能再制造或不值得再制造的，需要再制造也可以再制造的。根據(jù)第三類零部件再制造修復(fù)方法的不同，再制造企業(yè)大多采用換件法、修理尺寸法和增材修復(fù)法等再制造技術(shù)。

圖1 盾構(gòu)機再制造流程[8]Fig.1 Shield machine remanufacturing process[8]

2.1 主軸承再制造

主驅(qū)動系統(tǒng)是盾構(gòu)機動力的輸出中心，直接起到動力轉(zhuǎn)換和輸出作用，同時支撐盾體刀盤并使之旋轉(zhuǎn)破巖。盾構(gòu)機主軸承是主驅(qū)動系統(tǒng)的核心部件，其壽命通常決定了整臺盾構(gòu)機的壽命[9]，主要失效形式有滾子、滾子跑道、密封滑道磨損，保持架變形，唇形密封失效等。主軸承工作時，密封跑道與密封唇口相對旋轉(zhuǎn)，滾子與滾子跑道持續(xù)相對滾動，長時間對磨會使接觸部位產(chǎn)生磨損現(xiàn)象，當(dāng)磨損量達到一定深度時密封系統(tǒng)喪失密封隔絕作用，使大量泥沙侵入主軸承，造成密封跑道、滾子與滾子跑道失效，甚至保持架變形，其中主軸承密封跑道磨損如圖2所示。主軸承大齒圈與小齒輪相互嚙合帶動刀盤轉(zhuǎn)動，操作或維護不當(dāng)會出現(xiàn)齒圈磨損、崩齒等失效形式，使主軸承穩(wěn)定性變差，大齒圈崩齒如圖3所示。

圖2 主軸承密封跑道磨損Fig.2 Wear of main bearing seal runway

圖3 主軸承大齒圈崩齒[10]Fig.3 Main bearing big tooth ring with collapse tooth[10]

表2 盾構(gòu)機主軸承再制造Tab.2 Shield machine main bearing remanufacturing

張佳興[4]采用氬弧焊堆焊鐵基耐磨焊絲進行機加工和丙烷火焰炙烤消除應(yīng)力的方法，修復(fù)了盾構(gòu)機主驅(qū)動密封跑道。實際掘進2.13 km后再制造密封跑道磨損量較小，初步判斷修復(fù)后的盾構(gòu)機主驅(qū)動密封跑道達到新機標(biāo)準(zhǔn)。針對主軸承齒圈裂紋、崩齒，劉宏志[10]采用仿激光堆焊技術(shù)實現(xiàn)再制造的齒面硬度與原齒一致，再制造盾構(gòu)機再次掘進3465.1 m后主軸承齒圈完好。陸豪杰[11]、張友功等[12]針對主軸承滾道表面不同程度的銹蝕、壓坑、磨損等損傷，磨削去除表面銹蝕缺陷，同時更換滾動體、密封圈等重要零件，在試掘進中驗證了再制造盾構(gòu)機的可靠性。喬路衛(wèi)[13]總結(jié)出通過磨削可去除滾道面和滾動體銹蝕、壓坑等缺陷，但為保證磨削表面硬度，每磨削0.1 mm需要進行硬度測試。此外，相關(guān)學(xué)者積極探索高效、高質(zhì)量主軸承修復(fù)工藝方法，繆楠[15]針對主軸承密封滑道嚴(yán)重磨損，提出車削加工至磨損層深度后在外圈焊接鋼帶或直接采用激光堆焊等再制造方法，為主軸承再制造提供了參考。

綜上所述，采用修理尺寸法和堆焊修復(fù)工藝可修復(fù)主軸承密封跑道磨損、主軸承滾道銹蝕以及主軸承齒圈裂紋等表面損傷，但修理尺寸法存在零件互換性差、可修復(fù)次數(shù)有限、修復(fù)效率較低等問題；堆焊工藝對熱輸入較大，易導(dǎo)致工件開裂、變形，修復(fù)層質(zhì)量和再制造效率較低。主軸承作為主驅(qū)動系統(tǒng)的核心部件，修復(fù)質(zhì)量關(guān)系到整臺盾構(gòu)機的性能，要實現(xiàn)盾構(gòu)機主軸承的高質(zhì)量、高效率修復(fù)，未來還需引入先進修復(fù)技術(shù)，如激光熔覆、冷噴涂等增材修復(fù)技術(shù)，以不斷提高再制造修復(fù)質(zhì)量和再制造效率。

2.2 刀盤系統(tǒng)再制造

刀盤系統(tǒng)是盾構(gòu)設(shè)備的關(guān)鍵部件之一，其性能直接影響盾構(gòu)機的切削效果和掘進速度。由于服役環(huán)境惡劣，承受重載荷和高沖擊，盾構(gòu)機刀具、刀盤常出現(xiàn)磨損、裂紋、疲勞變形等損傷形式[16]，如圖4～圖6所示。

圖4 刀具磨損Fig.4 Cutting tool wear

圖5 滾刀磨損變形Fig.5 Hob wear and deformation

圖6 刀盤裂紋Fig.6 Cutter head crack

表3總結(jié)了我國盾構(gòu)機刀具刀盤的失效形式及再制造方法。針對盾構(gòu)機刀具刀盤常見的磨損失效，蔣建敏等[17]開發(fā)了耐磨藥芯焊絲DG7(Fe-Mo-Ni-Si-B)，并利用CO2氣體保護焊修復(fù)了磨損失效的刀具，顯著提高了刀具的耐磨性，掘進420 m后再制造刀具磨損量是進口刀具磨損量的1/5。為進一步探索DG7耐磨藥芯焊絲的修復(fù)效果，段保亮等[18]在刀體上堆焊DG7耐磨藥芯焊絲，在刀刃上堆焊自強化“雙相焊條”，改善了刀體的耐沖擊性和耐磨性，再制造盾構(gòu)機的推進里程比安裝進口刀具的同型號盾構(gòu)機高出20%。

表3 刀具刀盤再制造Tab.3 Cutter head remanufacturing

學(xué)者們采用案例分析、有限元模擬和實驗驗證等方法進行盾構(gòu)機刀具刀盤的修復(fù)研究。劉卓[19]總結(jié)了盾構(gòu)機刀盤磨損可用的再制造方法，提出可采用高性能焊材堆焊及表面處理再制造修復(fù)磨損量不超過1/3的刀具。TBM刀盤表面裂紋是刀盤失效的重要原因，李愛農(nóng)等[20]采用CO2氣體保護焊堆焊熔敷金屬韌性較好的E501T-1L焊絲，有限元模擬證明適當(dāng)減小大外圈厚板的坡口角度可使刀盤焊后應(yīng)力和變形得到改善。劉建琴等[22]、孫偉等[23]建立了刀具表面危險點裂紋萌生的計算模型，為再制造過程防止刀具裂紋擴展提供了參考。TIAN等[24]針對TBM圓盤刀具高溫磨損，利用保護金屬電弧焊和藥芯焊條電弧焊在刀具表面堆焊Fe-Cr-C焊絲和Fe-WC焊條，發(fā)現(xiàn)常溫下藥芯焊條電弧焊堆焊層的顯微組織較細、硬度較高，400 ℃時表現(xiàn)出良好的耐磨性。

上述研究表明，堆焊是當(dāng)前修復(fù)盾構(gòu)機刀盤的常用修復(fù)技術(shù)，通過探究多種堆焊工藝、開發(fā)新型堆焊材料、優(yōu)化施焊過程等措施改善堆焊修復(fù)層質(zhì)量，改善了刀具刀盤的耐磨性能,降低了殘余應(yīng)力，再制造盾構(gòu)機在掘進時性能優(yōu)良，延長了服役壽命。但盾構(gòu)機硬質(zhì)合金刀頭承受高應(yīng)力，對修復(fù)層強度、韌性、耐磨性等綜合力學(xué)性能要求較高，需進一步探索其他先進工藝(如激光熔覆、冷焊)和先進材料修復(fù)層的耐磨性以及對裂紋的控制作用。

智慧城市的建設(shè)并不只是云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的提升，還需要有大量的資金投入。智慧城市是一個全新的理念，其核心是將信息資源當(dāng)作重要的生產(chǎn)要素來有效地推動城市經(jīng)濟的轉(zhuǎn)型和升級，從而為經(jīng)濟社會的發(fā)展競爭創(chuàng)造一種新的優(yōu)勢。但是，當(dāng)前我國智慧城市的建設(shè)還沒有形成國家層面的一種全面的戰(zhàn)略機制。在國家層面依然存在一些管理職責(zé)混亂的現(xiàn)象，各智慧城市的建設(shè)基礎(chǔ)參差不齊，并且低水平建設(shè)和實用主義現(xiàn)象普遍存在，造成智慧城市投入成本較高，卻無法提高資源利用率[3]。

2.3 其他關(guān)鍵零部件再制造

盾構(gòu)機的液壓系統(tǒng)、減速機、螺旋輸送機、盾殼等關(guān)鍵部件會因磨損、變形導(dǎo)致設(shè)備故障，這些關(guān)鍵件的研究主要集中在故障檢測、仿真以及失效機理分析，再制造修復(fù)方面研究較少。

液壓系統(tǒng)[25]是盾構(gòu)機的動力傳輸系統(tǒng)，刀盤旋轉(zhuǎn)和推進系統(tǒng)的動力傳遞均依賴液壓系統(tǒng)。由于密封件與配件或配件與配件之間存在摩擦，長期工作可能出現(xiàn)活塞或活塞桿劃傷、缸筒磨損、內(nèi)壁劃傷等失效形式。減速機[26]是刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵傳動部件，在刀盤和驅(qū)動電機之間承擔(dān)著放大轉(zhuǎn)矩和匹配轉(zhuǎn)速以滿足高負荷作業(yè)的任務(wù)，由于刀盤運轉(zhuǎn)需要較大轉(zhuǎn)矩，長期工作可能發(fā)生傳動軸的變形、磨損，齒面點蝕、膠合、斷裂。螺旋輸送機[27-28]的主要作用是出渣和平衡土倉壓力以保持開挖面穩(wěn)定，由于盾構(gòu)機施工環(huán)境惡劣，常出現(xiàn)螺旋葉片和筒體磨損、螺旋軸斷裂、唇形密封損壞等失效形式。盾殼直接與地層接觸，承受土壓力及主機設(shè)備載荷，易產(chǎn)生變形和磨損。針對上述盾構(gòu)機液壓缸、減速機、螺旋輸送機的主要失效形式，蚌埠市行星工程機械有限公司對盾構(gòu)機減速機采用了數(shù)控等離子弧淬火、納米電刷鍍等再制造技術(shù)，對盾構(gòu)機液壓缸采用了刮削滾光、氬弧焊補、中頻強化熱處理等新工藝，成功實現(xiàn)了我國主要在用的十幾種盾構(gòu)機型主驅(qū)動減速機、液壓缸和螺旋輸送機的再制造。針對盾殼密封失效，司丹等[29]研究了常溫冷熔技術(shù)、可控堆焊技術(shù)和粘接與粘涂技術(shù)膠接三種特種修復(fù)技術(shù)，修復(fù)后的盾構(gòu)機將新品盾構(gòu)機設(shè)計使用壽命延長了1～2 km。

活塞桿、螺旋葉片、盾殼等零部件尺寸精度要求較高，選擇再制造修復(fù)工藝時須考慮熱輸入對基體的影響。根據(jù)對象特點，未來可探索熱噴涂、冷噴涂、冷焊等修復(fù)工藝的再制造修復(fù)效果。

綜上所述，換件法和修理尺寸法能夠?qū)崿F(xiàn)盾構(gòu)機零部件的再制造，在一定程度上實現(xiàn)了節(jié)能減排，但相對增材修復(fù)技術(shù)來說，具有一定的局限性。換件法再制造可更便捷地吸收當(dāng)前最新技術(shù)成果，有利于廢舊盾構(gòu)機的升級性再制造，但沒有最大化地利用損傷零件的價值；修理尺寸法工藝簡單，但工序復(fù)雜需要多次測量修磨面的表面硬度，過大的尺寸修理量還會使零件性能下降，受零件原始尺寸的影響再制造次數(shù)有限。增材修復(fù)技術(shù)保證了零部件的互換性，符合尺寸恢復(fù)和性能提升的技術(shù)特點，能夠最大化地節(jié)約資源、能源，真正實現(xiàn)了循環(huán)經(jīng)濟，因此，將先進增材修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于盾構(gòu)機零部件再制造是下一步的研究重點和應(yīng)用趨勢。

3 盾構(gòu)機增材修復(fù)技術(shù)的研究及發(fā)展

增材修復(fù)技術(shù)[30-31]可實現(xiàn)損傷表面尺寸恢復(fù)和性能提升，具有成形速度快、材料利用率高、節(jié)能環(huán)保等特點，可用來恢復(fù)零件因磨損、磕碰、劃痕造成的零件材料缺失，在盾構(gòu)機再制造方面具有巨大的潛力和優(yōu)勢。為減少或消除堆焊由于熱輸入過大引起的焊層裂紋以及稀釋率過大導(dǎo)致劣化焊層性能，激光熔覆技術(shù)成為了修復(fù)盾構(gòu)機零部件的研究重點。但盾構(gòu)機是一個包含眾多部件的龐大的系統(tǒng)，單一的激光熔覆技術(shù)無法完全滿足盾構(gòu)機再制造修復(fù)的需要。

熱噴涂、冷噴涂、冷焊等先進增材修復(fù)技術(shù)在航空航天、汽車船舶等機械設(shè)備再制造領(lǐng)域已有所研究和應(yīng)用，但由于盾構(gòu)機使用較晚且服役環(huán)境復(fù)雜，因此增材修復(fù)技術(shù)在盾構(gòu)機修復(fù)中應(yīng)用較少。盾構(gòu)機系統(tǒng)包含軸、液壓油缸、球閥、螺旋葉片等機械設(shè)備常用零部件，不同設(shè)備同類零部件在材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及性能需求上具有相通之處，這為增材修復(fù)技術(shù)的借鑒與遷移提供了可能，未來有望將其推廣并應(yīng)用到盾構(gòu)機再制造中。

3.1 激光熔覆技術(shù)

激光熔覆技術(shù)[32]是一種表面強化技術(shù)，同時是一種重要的表面修復(fù)手段，具有能量集中、熱影響小、材料利用率高、涂層結(jié)合強度高等優(yōu)點，主要用于齒輪、軸、液壓油缸、刀具等易磨損零部件的表面修復(fù)。

針對刀具磨損、銹蝕和裂紋等問題，段松[33]在盾構(gòu)機刀具材料表面熔覆制備了鎳基硬質(zhì)合金涂層，研究了WC形貌及含量對熔覆涂層耐磨、耐蝕性的影響。付琴[34]研究了不同熔覆工藝對盾構(gòu)機刀具的修復(fù)效果，結(jié)果表明多道熔覆涂層的硬度、耐磨和耐蝕性能更優(yōu)。ZESIG等[35]在刀具鋼表面熔覆制備了均勻無裂紋的新型FeCrMoVC涂層，涂層內(nèi)部大量細小且均勻的硬質(zhì)VC和Mo2C形成復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使涂層具有優(yōu)異的耐磨性能。

針對齒輪常見的磨損、變形和斷裂等問題，SHI等[36]以Ni45粉末為熔覆材料，通過設(shè)計激光與齒面的相對位置、優(yōu)化熔覆厚度、搭接率及熔覆路徑，最終在廢齒齒面上獲得了高強度耐磨修復(fù)層，如圖7所示。為進一步探索激光熔覆工藝參數(shù)對再制造齒面性能的影響，ZHU等[37]建立45鋼斷齒的三維模型，研究了激光熔覆工藝參數(shù)對修復(fù)層抗拉強度、硬度和耐磨性的影響，將優(yōu)化的工藝參數(shù)用于斷齒加工，最終實現(xiàn)了斷齒的再制造。

圖7 激光熔覆修復(fù)斷齒形貌[36]Fig.7 Morphology of broken teeth repaired by laser cladding[36]

針對軸類零件常見的磨損、腐蝕及疲勞損傷等問題，肖潔等[38]在采煤機高速軸表面熔覆了鎳基復(fù)合涂層，測試對比發(fā)現(xiàn)，激光熔覆修復(fù)的高速軸的耐磨和耐蝕性能均優(yōu)于電鍍法和陰極保護法。封慧等[39]構(gòu)建了激光熔覆修復(fù)過程中激光束和曲軸頸的運動軌跡與相對速度之間的關(guān)系模型，并在實驗中獲得了連續(xù)均勻的優(yōu)質(zhì)修復(fù)層，驗證了模型的可靠性。

針對液壓零部件常見的磨損、腐蝕等問題，王義猛[40]在液壓油缸外圓激光熔覆鐵基不銹鋼粉末，研究了熔覆過程對熔覆層性能的影響,模擬實驗表明，熔覆油缸的使用壽命約是電鍍油缸的使用壽命的6倍。CUI等[41]、郭衛(wèi)等[42]基于鐵基合金的液壓立柱激光熔覆工藝，研究了不同搭接率和功率下的涂層硬度和磨損機理。翟建華等[43]在35CrMo鋼活塞桿表面不同部位激光熔覆兩種鐵基涂層，對比了兩種涂層的耐磨性、耐蝕性和抗腐蝕性，為激光熔覆修復(fù)活塞桿提供了參考。

激光熔覆在制備耐磨修復(fù)層方面具有獨特優(yōu)勢，使激光熔覆取代污染較大的鍍鉻工藝成為可能。然而，常規(guī)的激光熔覆層易出現(xiàn)裂紋和孔洞等缺陷，設(shè)備使用和維護費用較高等均在一定程度上限制了激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用范圍。此外，受粉末流動性影響，當(dāng)前激光熔覆多以涂層預(yù)置式進行相關(guān)研究，難以得到精確的涂層厚度且效率較低，一定程度上限制了研究成果的應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

近年來，新型超高速激光熔覆設(shè)備的研究為激光熔覆技術(shù)規(guī)模化工業(yè)應(yīng)用提供了可能。與常規(guī)熔覆設(shè)備相比，超高速激光熔覆設(shè)備的熔覆效率和材料利用率更高、熱影響區(qū)更小，能明顯提高修復(fù)效率和涂層質(zhì)量。未來可通過開發(fā)熔覆專用材料、優(yōu)化工藝參數(shù)、研發(fā)自動化配套設(shè)備等措施進一步提高修復(fù)質(zhì)量，激光熔覆修復(fù)技術(shù)將在盾構(gòu)機刀具刀盤、齒輪、主軸承密封跑道、驅(qū)動軸等易磨損零部件再制造中凸顯優(yōu)勢。

3.2 熱噴涂技術(shù)

熱噴涂技術(shù)[44]是一種重要的增材修復(fù)手段，按照原理的不同，可分為等離子噴涂(atmospheric plasma spraying,APS)、超音速火焰(high velocity oxygen fuel,HVOF)噴涂、高速電弧噴涂(high velocity arc spraying,HVAS)等，各技術(shù)優(yōu)缺點比較如表4所示。國內(nèi)外學(xué)者圍繞多種熱噴涂增材修復(fù)技術(shù)和應(yīng)用對象開展了廣泛且深入的研究。

表4 熱噴涂技術(shù)比較Tab.4 Comparisons of thermal spraying technologies

針對軸類部件的外圓磨損問題，馬寧[45]提出“多尺度WC基金屬陶瓷復(fù)合涂層”的材料設(shè)計思路，將具有高硬強韌的HVOF雙峰結(jié)構(gòu)WC-(納米WC-Co)新涂層成功應(yīng)用于工程機械軸類零件的再制造。曹華軍等[46]采用APS對滾齒機主軸磨損外錐面進行修復(fù)，預(yù)測并分析了涂層/基體系統(tǒng)在冷卻過程中的殘余應(yīng)力及其分布情況。

針對液壓缸立柱的表面點蝕和磨損問題，郭永明[47]利用電弧噴涂系統(tǒng)再制造修復(fù)了損傷的液壓支架立柱，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，修復(fù)后的立柱具有良好的硬度和耐腐蝕性，可作為重要的鍍鉻代替技術(shù)推廣應(yīng)用。張景河等[48]采用HVOF在立柱基材表面制備了WC-Cr3C2-M涂層，結(jié)果表明，涂層孔隙率低、與基體結(jié)合強度高，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨和抗腐蝕性能，且涂層在井下實際工況下防護效果顯著。

針對球閥類部件表面的腐蝕與磨損問題，劉麟等[49]采用激光等離子噴涂技術(shù)在失效的球閥基體材料上制備Al2O3-TiO2與WC-Co金屬陶瓷涂層，對比發(fā)現(xiàn)Al2O3-TiO2金屬陶瓷涂層更適用于失效高溫球閥的再制造。賴允有等[50]采用HVOF在高壓閥門基體上制備了新型的WC-10Co-4Cr涂層，測試分析表明，該新型涂層組織具有致密、硬度高、韌性適中、耐高壓等優(yōu)良性能。

針對葉輪葉片沖蝕減薄損傷問題，LU等[51]、LI等[52]利用APS在葉片鋼材表面制備了Cr3C2-NiCr涂層，探究了NiCr含量和工藝參數(shù)對涂層抗沖蝕性能的影響，為葉輪葉片類部件的再制造修復(fù)提供了基礎(chǔ)。為了進一步改善涂層性能，DU等[53]利用等離子電弧重熔技術(shù)后處理了HVOF制備的Cr3C2-NiCr涂層，性能測試表明，一定功率下的重熔可改善涂層的結(jié)合強度和耐磨性能。

熱噴涂技術(shù)具有噴涂材料選擇范圍廣、制備效率高、對基體熱影響小等特點，適用于大面積表面損傷修復(fù)(如軸、立柱、球閥、葉片等部件)，但熱噴涂涂層存在結(jié)合強度較低的問題，不適用于高應(yīng)力沖擊磨損環(huán)境。隨著我國盾構(gòu)機再制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用將顯著提高盾構(gòu)機部件的再制造率，進一步地提高廢舊部件的修復(fù)率。同時，新型陶瓷與納米復(fù)合噴涂材料、先進噴涂技術(shù)工藝(如懸濁液等離子噴涂、低壓等離子噴涂等)、自動化噴涂技術(shù)的革新也將極大地改善涂層的服役性能與零部件的修復(fù)效率，從而促進熱噴涂技術(shù)在盾構(gòu)機再制造中的應(yīng)用。

3.3 其他修復(fù)技術(shù)

常規(guī)的激光熔覆、熱噴涂等再制造技術(shù)需要將涂層材料加熱至熔融或半熔融狀態(tài)才能沉積到待修復(fù)基體表面，在高溫氣氛中沉積材料易出現(xiàn)氧化、燒損、相變等現(xiàn)象，對基體也有一定的熱影響。為減小高溫對涂層和基材結(jié)構(gòu)和性能的影響，冷噴涂、冷焊等修復(fù)技術(shù)在薄壁零部件的再制造方面已有初步研究。

不同于常規(guī)熱噴涂技術(shù)，冷噴涂過程中顆粒不經(jīng)過熔化再凝固的過程，避免了噴涂過程中熱影響對涂層性能的惡化，具有沉積溫度低、沉積層孔隙低、噴涂厚度可控、粉末利用率高等優(yōu)點[54-55]。針對飛機螺旋葉片磨損和撞擊損傷，STOLTENHOFF等[56]采用冷噴涂工藝填充磨削凹槽恢復(fù)了葉片尺寸，再制造葉片通過多種航行測試后繼續(xù)服役。針對船體閥門執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)孔密封面腐蝕損傷，WIDENER等[57]采用高壓冷噴涂系統(tǒng)以氦氣沉積鋁涂層，通過仿真模型和結(jié)合強度測試驗證了修復(fù)方案的有效性，再制造的閥門執(zhí)行機構(gòu)已再次投入使用。針對軸類部件表面磨損，王璐璐[58]采用冷噴涂工藝在軸類零件常用材料45鋼表面制備了316L和NiCr兩種合金涂層，比較了兩種涂層的孔隙率、硬度和耐磨性，為軸類零件再制造提供了新思路。冷噴涂工藝適合修復(fù)泵閥類、軸類以及大面積薄壁零部件，在再制造修復(fù)盾構(gòu)機螺旋葉片、盾殼體等對加工溫度較敏感的薄壁零部件方面具有較大的潛力和優(yōu)勢。但冷噴涂制備的涂層一般需要熱處理才能滿足使用要求，而且從當(dāng)前應(yīng)用來看，金屬基復(fù)合材料由于沉積率低，在冷噴涂修復(fù)工藝中應(yīng)用較少。要發(fā)揮冷噴在盾構(gòu)機再制造中的優(yōu)勢，需進一步探索如何擴大冷噴涂粉末選擇范圍、優(yōu)化噴涂后處理工藝、提高涂層結(jié)合強度等重要問題。

冷焊技術(shù)由于鎢極放電頻率高且修復(fù)區(qū)熱量可通過基體散失到外界，故修復(fù)區(qū)不會集聚大量熱，有利于降低涂層開裂幾率。丁紫陽等[59]將冷焊技術(shù)應(yīng)用于液壓支架底缸內(nèi)壁再制造，與液壓支架底缸基材相比，冷焊層耐磨性和耐蝕性分別為基材的1.8倍和6.2倍。針對鑄鐵零部件表面拉劃、磨損等缺陷，徐慶鐘等[60]采用亞激光瞬間熔冷焊技術(shù)研究了冷焊工藝參數(shù)與殘余應(yīng)力分布、結(jié)合強度的關(guān)系，最終得到用于鑄鐵零部件修復(fù)的最優(yōu)工藝參數(shù)。冷焊設(shè)備簡單且多以手工為主，可再制造焊修盾構(gòu)機損傷的鑄鐵材料零部件，靈活地修復(fù)零部件小面積磕碰、劃痕等損傷。但冷焊機只能高脈沖連續(xù)點焊，修復(fù)效率和修復(fù)質(zhì)量有待提高。未來，可通過提升設(shè)備自動化水平、優(yōu)化焊接工藝提高焊材沉積率的同時細化焊層組織，發(fā)揮冷焊在盾構(gòu)機修復(fù)方面的優(yōu)勢。

不同增材修復(fù)技術(shù)有其特點和優(yōu)勢，如激光熔覆涂層結(jié)合強度高，多用于修復(fù)零部件高應(yīng)力磨損；熱噴涂工藝簡單，多用于修復(fù)大面積磨損、腐蝕等表面損傷；冷噴涂、冷焊修復(fù)區(qū)熱影響小，多用于修復(fù)薄壁件表面劃痕。但對于損傷形式較為復(fù)雜的零部件，單一的增材修復(fù)工藝難以滿足零部件的表面精度、使用性能的要求，因此，未來的增材修復(fù)技術(shù)應(yīng)是多工藝復(fù)合的，以更好地提高損傷零部件的表面涂層質(zhì)量和修復(fù)效率。

4 總結(jié)與展望

盾構(gòu)機作為城市交通建設(shè)的主力軍，再制造是為其保價增值的有效途徑，開展盾構(gòu)機再制造修復(fù)技術(shù)研究意義重大。為推動盾構(gòu)機再制造技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，本文綜述了國內(nèi)盾構(gòu)機關(guān)鍵零部件再制造研究及其應(yīng)用現(xiàn)狀，根據(jù)盾構(gòu)機再制造水平現(xiàn)狀和盾構(gòu)機零部件常見的失效形式，介紹了激光熔覆、熱噴涂、冷噴涂、冷焊等可用于盾構(gòu)機再制造的增材修復(fù)技術(shù)，主要結(jié)論如下。

(1)隨著地下空間開發(fā)利用的蓬勃發(fā)展，盾構(gòu)機再制造需求日益迫切。然而，國內(nèi)盾構(gòu)再制造產(chǎn)業(yè)尚處于規(guī)劃發(fā)展期，在國家政策規(guī)范引導(dǎo)下相關(guān)企業(yè)在盾構(gòu)機再制造方面已取得了一些成果，但當(dāng)前再制造盾構(gòu)機的市場響應(yīng)度較低，再制造盾構(gòu)機的使用性能和服役壽命亟待進一步提高。

(2)盾構(gòu)機主軸承、刀盤刀具、液壓系統(tǒng)、減速機、螺旋輸送機等關(guān)鍵部件再制造意義重大，當(dāng)前我國主要采用換件法、修理尺寸法和堆焊技術(shù)進行修復(fù)，這些方法能在一定程度上恢復(fù)損傷零部件的使用性能，但換件法沒有充分利用廢舊件的附加值，修理尺寸法的再制造次數(shù)有限，堆焊修復(fù)技術(shù)焊層易開裂。因此，應(yīng)重點研究如何在恢復(fù)零部件使用性能的前提下保證修復(fù)工藝穩(wěn)定性、提高材料利用率、延長再制造件服役壽命。

(3)激光熔覆、熱噴涂等增材修復(fù)技術(shù)在廢舊機械產(chǎn)品再制造方面具有獨特優(yōu)勢，已在刀具、軸類、液壓油缸等零部件再制造中有所研究和應(yīng)用。但由于廢舊盾構(gòu)機零部件服役環(huán)境惡劣、系統(tǒng)集成復(fù)雜，對修復(fù)質(zhì)量和可靠性要求較高；表面損傷程度和損傷形式具有隨機性，使修復(fù)材料很難按軌跡準(zhǔn)確沉積、按位置定量熔化，再制造零部件的表面質(zhì)量和修復(fù)效率有待提升。未來可通過優(yōu)化再制造工藝參數(shù)、研發(fā)專用修復(fù)材料、開發(fā)高效修復(fù)設(shè)備、探究多工藝復(fù)合修復(fù)技術(shù)等途徑，有效發(fā)揮增材修復(fù)技術(shù)在再制造盾構(gòu)機中的應(yīng)用價值。

經(jīng)過技術(shù)革新，未來再制造修復(fù)技術(shù)會朝向智能高效化、集成復(fù)合化、柔性定制化、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化方向發(fā)展?；诂F(xiàn)階段盾構(gòu)機再制造修復(fù)技術(shù)研究與應(yīng)用分析，盾構(gòu)機再制造技術(shù)發(fā)展趨勢展望如下。

(1)智能高效化——將人工智能、大數(shù)據(jù)與再制造技術(shù)相結(jié)合，輔助盾構(gòu)機再制造過程中修復(fù)工藝設(shè)計、修復(fù)質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測、再制造可行性判斷。探究盾構(gòu)機智能自修復(fù)技術(shù)、在役再制造技術(shù)和智能高效再制造技術(shù)，通過智能環(huán)境感知、智能健康診斷、智能工藝規(guī)劃，實現(xiàn)盾構(gòu)機整機的長壽命、高可靠性運行以及關(guān)鍵零部件的高效高質(zhì)修復(fù)。

(2)集成復(fù)合化——探究材料復(fù)合、工藝復(fù)合技術(shù)提高盾構(gòu)機再制造零件性能和精度。通過高熵合金、非晶材料、納米材料等先進復(fù)合材料設(shè)計技術(shù)及增減材復(fù)合再制造技術(shù)，擴寬零部件可再制造范圍、提升再制造盾構(gòu)機修復(fù)效率，實現(xiàn)再制造產(chǎn)品性能升級。

(3)柔性定制化——建立基于地域特征與產(chǎn)品特點的盾構(gòu)機再制造產(chǎn)業(yè)信息數(shù)據(jù)庫，根據(jù)盾構(gòu)機下一標(biāo)段的服役需求，通過對現(xiàn)有盾構(gòu)機升級性再制造，實現(xiàn)客戶需求的快速響應(yīng)。

(4)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化——不斷健全盾構(gòu)機再制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化水平，如再制造修復(fù)規(guī)范、再制造性評估、再制造產(chǎn)品認(rèn)定、再制造壽命評估等標(biāo)準(zhǔn)。建立再制造評估體系，完善并規(guī)范舊件回收逆向物流系統(tǒng)和產(chǎn)品再制造流程，促進形成盾構(gòu)機廢舊零部件“回收-再制造-銷售-服務(wù)”再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式。