盾構(gòu)機滾刀的淺議

支 龍 楊 景

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 710300）

進入21世紀，在水利、電力、鐵路、煤炭、礦山、交通、城市地下及軍工等隧道建設(shè)工程中，盾構(gòu)機以其優(yōu)質(zhì)、高效、自動化程度高以及地質(zhì)適應(yīng)性強等諸多優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用 。由于山體巖石的高硬度、高強度與地質(zhì)條件的復(fù)雜性，以及強擠壓、大扭矩、強沖擊、高磨損的惡劣工況，盾構(gòu)刀具成為掘進過程中最易損壞的零部件。因此，開發(fā)出集高強度、高硬度、高耐磨和優(yōu)良韌性等優(yōu)點于一身的刀具，是加快工程進度、降低盾構(gòu)機施工成本的決定性因素[1]。盾構(gòu)機的刀具種類很多，按其切削原理可分為切削刀和滾刀。切刀主要適用于粒徑小于400 mm的粘土地層、砂土地層及較軟巖層的開挖[2]，可分為雙孔切刀、三孔切刀和四孔切刀。在全斷面硬巖層及上軟下硬混合巖層掘進時，需使用滾刀[3]，可分為單刃、雙刃和多刃等樣式。本文主要對滾刀進行介紹。

1 滾刀的結(jié)構(gòu)組成及磨損形式

1.1 滾刀的結(jié)構(gòu)組成

從圖1可以看出，滾刀主要由刀軸、端蓋、金屬浮動密封、刀體、刀圈、隔圈、擋圈以及軸承等部分組成，其中隔圈的主要作用是調(diào)節(jié)啟動扭矩大小。滾刀的實物圖，如圖2所示。在刀圈和刀體之間放置一個擋圈（擋圈是由兩個半圓環(huán)通過焊接的方式組成的），對刀圈在刀軸上進行軸向定位。在掘進的過程中，擋圈易在焊口處斷裂脫落，故需要在焊口處搭接一塊加固鐵。刀圈、軸承和浮動密封是刀具的關(guān)鍵件，其中刀圈的消耗量最大。

圖1 滾刀的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 滾刀實物圖

1.2 滾刀的磨損形式

滾刀在千斤頂巨大的推力作用下緊壓入巖石，同時隨著刀盤的旋轉(zhuǎn)進行公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)，經(jīng)擠壓、起裂和破碎3個階段實現(xiàn)巖體的脫落。因此，滾刀的磨損量受法律規(guī)定、土質(zhì)、滑動距離、滾刀形狀、滾刀材質(zhì)、推進速度以及刀盤轉(zhuǎn)速等因素影響[4]。滾刀磨損形式大致可分為正常磨損和非正常磨損兩大類。其中，正常磨損占全部損壞刀具的90%以上[5]，非正常磨損包括刀圈偏磨、刀圈卷刃、刀圈崩裂、滾刀漏油以及刀體磨損等。正常磨損（圖3）因磨損時磨損程度基本一致，又稱均勻磨損。這種磨損可以通過更換新刀圈實現(xiàn)正常的使用。刀體磨損（圖4）是最嚴重的失效形式，一旦刀體磨損，意味著整把滾刀報廢。

圖3 正常磨損

圖4 刀體磨損

2 滾刀的拆解

滾刀的拆解包括破壞性拆解和非破壞性拆解。破壞拆解是用氣割機將圖1中各部位拆解開，用鋸床或線切割截取相應(yīng)的試塊，借助光譜儀、拉伸試驗機、擺錘式?jīng)_擊試驗機、布洛維一體機以及倒置式金相顯鏡等設(shè)備，研究滾刀各部位的成分、性能（硬度、強度、韌性）、組織等。拆解后的各部位，如圖5所示。拆解過程中能聞到刺激性氣味。查相關(guān)資料獻可知，此刺激性氣味是拆解過程中油脂里的異味劑與空氣接觸氧化而產(chǎn)生的。添加異味劑的目的是能夠及時發(fā)現(xiàn)刀具漏油。

圖5 破環(huán)拆除后滾刀各部件

非破壞性拆解是為了獲取已有滾刀各部件的裝配形式，測繪出各部件的尺寸以及配件（密封環(huán)、油脂、軸承等）的型號。拆解過程可分為清理表面、磨去擋圈上的焊點、旋開刀蓋、吸出油脂以及壓出刀軸等。用酒精清洗各部件上的灰塵及銹跡，借助便攜式三維掃描儀測繪出其尺寸，拆解后的各部位如圖6所示。拆解過程中可知，軸承位型號為NTN 4T-HH224346。收集油脂分析后可知，它為殼牌的齒輪油。

圖6 非破環(huán)拆除后滾刀各部件

3 刀圈的研制

刀圈破巖時不僅承受很大的徑向破巖力，同時又受到巖石硬礦物相的劇烈磨損。根據(jù)刀圈的失效形式分析，若要提高刀圈的使用壽命，則刀圈材料需要具有高硬度、高強度及良好的沖擊韌性，這樣刀圈在掘進時既耐磨，又能在遭受巨大沖擊時避免發(fā)生崩裂或塑性變形[6]。為了提高刀圈的使用壽命，一方面可以從改善滾刀的材質(zhì)、性能著手，另一方面可以優(yōu)化滾刀的結(jié)構(gòu)。

目前，滾刀刀圈的用鋼大體可以分為兩種：一種是與調(diào)質(zhì)鋼40CrNiMo（AISI4340）成分相似的中碳低合金高強度鋼；另一種是與中碳低合金高強度鋼4Cr5MoSiV成分接近的中碳中合金鋼。通過控制合金元素的種類和含量提高性能，可為后期理想的熱處理創(chuàng)造優(yōu)越條件。例如：Ni作為非碳化物形成元素加入鋼中，能夠有效提高鋼基體韌度；V含量增加了鋼的淬透性，提高了鋼的回火穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)方面，優(yōu)化滾刀的結(jié)構(gòu)實際上是通過在滾刀的表面鍍層和鑲嵌硬質(zhì)合金塊等方式來提高刀圈的使用壽命。例如，圖7在滾刀刀圈基體上鍍粒度為10/20～30/40目，鍍層厚度為1.0～1.6 mm的金剛石[7]；圖8在刀圈的外圓周上開環(huán)形凹槽，并凹槽內(nèi)釬焊環(huán)形的硬質(zhì)合金[8]，目的是提高刀圈的服役周期。

圖7 滾刀刀圈改進

圖8 滾刀刀圈改進

4 結(jié)語

國際知名盾構(gòu)機滾刀制造公司（如德國WIRTH、意大利PALMIERI、美國ROBBINS等）產(chǎn)品性能優(yōu)良，在全世界范圍的滾刀市場占有一定份額。高速鐵路、越江險道、城市地鐵以及礦山開采等重大工程的建設(shè)，加快了盾構(gòu)機的發(fā)展，提升了滾刀的需求量。若一味依靠進口，不僅產(chǎn)品價格昂貴，而且采購的周期長，一定程度上增加了施工成本，因此研制開發(fā)出綜合性能優(yōu)良的滾刀顯得十分急迫。