延長盾構機刀具使用壽命的措施

陳立和

盾構機配件中,刀具由于掘進磨損和承受掘進壓力的作用,屬于盾構機施工中的易損易耗件,使用進口的刀具進行盾構機施工:1)國外進口刀具價格昂貴;2)往往進口刀具都有一定的周期,掘進地層土質又發生不斷變化難以預料,提前配置有盲目性,臨時購買則會影響整個工期。同時在工程砂卵石層進行盾構施工,其中最重要的是要保持掘進面的穩定和延長刀具的使用壽命。本研究項目收集各方面資料,并根據本人已經參與的工程研究在砂卵石層施工時盾構機刀盤的設計要點,保持掘進面穩定的方法,以及根據施工刀具的使用性能和磨損規律,結合刀具的受力情況和金相分析,總結刀具的失效原因,然后研制出適應不同工況的刀具。

1 盾構機施工過程中刀具磨損的原因分析

我們知道,盾構機掘進在破巖過程中,刀具承受了很大的徑向力與側向力,使得刀圈刃尖因劇烈摩擦和沖擊急劇磨損而降低使用壽命,為此必須經常進行檢查更換,經統計紅花套、黃石盾構機隧道檢查刀具與換刀時間,分別占隧道工程掘進時間的19.5%,22%,費用成本占有18%～23%,不但增加人財物的消耗量和刀具更換的工作量,降低了有效工作時間,增加了施工風險,還直接導致單位掘進成本的提高。

1.1 盾構機刀具的種類與用途

我們將以AVN2440DS盾構機進行探討,AVN2440DS盾構機刀盤上裝有一組刀具,其中由7個單滾刀、6個雙滾刀、5個中心滾刀,4組刮刀24把組成。刮刀:刮刀適用于軟土及一些混有或交替夾有軟巖的地質,其切削方式是通過對土體鏟切實現對掘進面開挖,刮刀切削土層與軟巖層更容易。盤形滾刀:盤形滾刀通過刀盤轉動,滾刀在盾構機推進力的作用下,通過刀具對掘進面巖體轉動擠壓,對巖石表面擠切一個槽,同時在剪切力的作用下造成巖石開裂破碎。

1.2 刀具磨損的影響因素

在盾構機推進力作用下刀具對開挖面土體產生一定壓力。隨著刀盤的旋轉,刀具與土砂磨料摩擦,從而產生磨損。刀具的磨損與地質條件、刀具材質及其在刀盤上的安裝位置有關,并且隨著刀具掘削里程的增加而增大。布置在刀盤周邊的刀具由于線速度大,切削路線長,因而磨損快、易折斷、壽命短。刀具損壞的主要形式有刀具的磨耗和脫落。刀具的磨耗受材質、硬度、作用的推力以及地質條件和刀具切入深度、速度、時間的影響;刀具脫落主要與安裝方法有關,施工時也受刀柄的磨耗和礫石、障礙物的影響。盾構機在掘進中會遇到各種不同地層,從淤泥、黏土、砂層、砂卵石層到軟巖及硬巖等。開挖過程中刀具受力復雜,工作環境惡劣。刀具的磨損與施工地層密切相關。淤泥質黏土、粉質黏土、粘質粉土等地層對刀具的磨損很小,而砂土、砂卵石礫石地層對刀具的磨損十分嚴重,甚至使刀具折斷。這種情況在已經施工的工程中得到了印證。

1.2.1 刀圈斷裂

刀圈選用材質與地質巖性不適用,當巖石抗壓強度較高時,對刀圈的自身硬度要求也較高,刀圈抗沖擊性能也隨之下降,將造成刀圈斷裂,稱為沖擊疲勞斷裂。同時配合間隙過盈量超過規定值時,在掘進中因刀具內外溫度相差較大,將會造成刀圈斷裂,稱為內應力斷裂。在掘進過程中刀具冷卻效果不好,特別是在淤泥、黏土地質或巖石斷裂帶夾層造成刀具被包裹,將會造成刀圈斷裂,稱為內應力斷裂。

1.2.2 軸承損壞與刀圈偏磨

刀具密封效果差,包括有密封配合間隙、橡膠彈力與硬度、機械密封平面度、機械密封面硬度與耐磨性能等,泥砂進入刀具內部造成軸承損壞后,刀圈產生偏磨;潤滑脂熱膨脹系數超過規定,在刀具受熱時密封油脂外溢,冷卻降溫時泥水進入刀具軸承內,或是裝配時內部空氣沒有排盡,造成軸承損壞后刀圈偏磨;刀具轉動部件裝配間隙不合理,刀圈轉動扭矩超過規定值時,軸承加速磨損而損壞;轉動扭矩低于規定值時,造成密封與密封面之間自由間隙過大,密封失效,泥水進入,造成軸承損壞后刀圈偏磨。

1.2.3 滾刀殼體變形磨損

刀具殼體表面硬度低于基巖抗壓強度,破碎后的巖石、砂礫石對刀具殼體長時間沖擊,造成殼體變形損壞;刮刀基材或表面硬度低于基巖抗壓強度,破碎后的巖石、砂礫石對刀具殼體長時間沖擊,造成殼體變形損壞;采用壓入式裝配時,裝配過盈量未達到規定要求,在受到交變沖擊時松動后脫落;采用焊接時,刀齒與基體焊接出現虛焊、夾渣,造成焊接不牢固,在受到交變沖擊時松動后脫落。

1.2.4 刮刀合金齒脫落

合金齒硬度與抗沖擊性能,與掘進地質巖性不相適應,合金齒硬度偏高而抗沖擊性差,在受到沖擊時易造成合金齒斷裂;在安裝時螺栓扭矩未達到額定扭矩,造成螺栓松動最后斷裂,刀具脫落;滾刀總成脫落后或較大較硬的巖石塊對刮刀撞擊,造成螺栓斷裂后刀具脫落。

2 延長盾構機刀具使用壽命的措施

2.1 嚴格刀具制造流程

刀具生產加工必須制定一套科學合理的制造工藝,刀具制造工藝是控制刀具質量的關鍵。

2.1.1 滾刀的制造

盾構機滾刀完全按照掘進地質選用碳鋼經表面滲碳處理,刀圈采用熱煅一次滾壓成型工藝,使刀具材料內部金相組織結構更加均勻致密,減少刀圈的斷裂,同時在表面形成一定厚度的硬化層,具有高耐磨、抗沖擊性能。選用優質熱膨脹系數小的潤滑油脂,同時在刀具內部安裝有潤滑油補償裝置,在一定溫度變化范圍內確保刀具的正常潤滑與油脂的補充。經使用對比效果顯著。由于滾刀在掘進過程中承受比巖石層抗壓強度高8 MPa～12 MPa,當巖石硬度超過60 M Pa時,刀圈硬度HRC 65～70,如果刀圈采用合金材料制造時,其內外硬度是一致的,具有較好的耐磨性,但抗沖擊性能明顯下降,不利于TBM的破巖。根據經驗總結及材料機理分析,當巖石抗壓強度達到或超過55 MPa時,刀具材料應選用高碳鋼,表面采用高溫氣體滲碳達到相對硬度,形成外硬內軟,具有較好耐磨性、抗沖擊性能,而不適于選用合金鋼作為刀圈制造材料或刀圈采用中碳鋼表面鑲嵌合金齒,以滿足破巖性能的要求。

2.1.2 刮刀的制造

根據進口刮刀在使用中易造成變形,通過物化性能分析,刮刀基材為45中碳鋼或20低碳鋼加工而成,表面硬度HRC 22～28,未作任何表面處理,因此在受到巖石或卵石沖擊時極易產生變形。在國產刮刀生產時,做了以下制造工藝調整:材料由原來的低碳鋼改為中碳鋼,基材表面硬度HRC 32～36;在沖擊面與棱角部位補焊0.25～0.32耐磨合金層。

2.2 合理選擇刀具

不同地質應選用不同材質、生產工藝的刀具,如果同一種刀具用于不同地質,刀具的使用壽命將會受到嚴重影響;在軟地層掘進中要求刀具具有較好的抗磨性、硬度比巖石抗壓強度高10 MPa～15 MPa;在硬巖掘進中,要求刀具有良好的耐磨性、抗沖擊性。

2.3 嚴格刀具加工與密封

刀具生產加工工藝對刀具使用壽命的影響,煅造與熱處理工藝的影響最為重要,生產過程中工藝控制將直接造成金屬材質的內部缺陷,在刀具受到沖擊、振動、壓力的作用下,內部缺陷將形成微小裂紋而不斷延伸與擴展,最終造成斷裂,控制好刀具生產工藝可以顯著的提高刀具的壽命。同時刀具密封是影響刀具使用壽命的主要原因之一,由于密封的早期損壞,造成刀具軸承損壞與刀圈偏磨、殼體損壞及整個刀具總成的報廢,選擇正確的密封形式是保證滾刀壽命的一個重要因素。

總之,盾構機施工在我國還處于剛剛起步階段,隨著經濟的發展,會有越來越多的穿越工程選擇盾構機形式,不管在何種形式的盾構機施工中,刀具研究技術一直是盾構機應用的關鍵因素。

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