單刃盤形滾刀設計研究

石小政

單刃盤形滾刀設計研究

石小政

通過對幾種全斷面掘進機(TBM)單刃滾刀刀具運行機理及其主要結構參數對應關系的分析探討,為相應類別刀具維修、問題刀具鑒定、刀具國產化結構參數設定關系提供依據,對類似刀具的相關方面亦有借鑒意義。

隔套,軸承,浮動密封,端蓋,刀體,刀軸

0 引言

TBM刀盤上的刀具(本文專指單刃滾刀,各種配件名稱也專指適用于刀具的配件)是TBM的破巖工具,為TBM中最關鍵和最重要的部件。而安裝在TBM刀盤上的盤形滾刀既是TBM的專有工具,又是TBM刀具中最具技術含量的工具。其技術性能的優劣是擴大TBM施工適用范圍和降低施工造價的關鍵技術之一。國外各著名TBM生產廠家對刀具都進行了長期的研究,都有自成一體的刀具設計理念及完備的參數設定依據,且仍在不斷改進TBM刀具的性能以使其產品具有競爭力,甚至有些TBM生產廠家還把刀具單獨作為一項高技術含量的產品來向施工單位推售。國內也曾涌現出大量刀具生產廠商,在刀具方面多方探求研究,以求在刀具方面能有所突破,然而真正能完美仿制成功的已屬鳳毛麟角,自成一體的就更近乎是空白。國內部分刀具廠家的產品在刀具的材質方面有些已基本可以達到或接近國外刀具的水平,而在結構上均基于仿制,致使性能的優劣完全取決于仿制的精度。本文以青海引大濟湟WIRTH刀具、寶雞引紅濟石ROBIONS刀具的實踐經驗為主要依據,結合沈陽大伙房TBM刀具的結構特點及部分使用經驗,加以對比分析,以求得出刀具結構參數設定方面的正確對應關系,為刀具的使用及其國產化提供借鑒意義。

1 刀具關鍵部件的運行機理及相應的結構差別所導致的不同效應分析

1.1 三種刀具的結構圖

如圖 1中所示三種刀具影響其關鍵技術體系區別的內部結構及扭矩參數說明：

1)如圖1a)所示刀具為底端蓋(輕便)刀軸凸臺后置式、軸承與刀軸間隙配合、扭矩設定在60 nm～80 nm的WIRTH楔形刀具,此種刀具最為輕便。2)如圖 1b)所示刀具為底端蓋(厚重)與軸承內圈直接接觸、軸承與刀軸過盈配合、扭矩通常設定在 40nm～60nm的WIRTH刀具,此種刀具因刀具的安裝形式決定了其重量是三者中最重的刀具,安裝難度較高。也有外形結構與圖 1a)類似的楔形刀具,但內部結構參數設置與如圖 1b)所示刀具相同,此種刀具屬于如圖 1b)所示刀具范疇,只是因安裝形式不同而在端蓋及刀軸的外側形式上有所不同而已,其僅在非關鍵影響因素上稍有區別。3)如圖1c)所示刀具為底端蓋(厚實)刀軸凸臺前置式、軸承與刀軸過盈配合、無隔套、扭矩設定通常范圍為 27 nm～34 nm的ROBIONS楔形刀,此種刀具重量介于前兩者之間。

1.2 刀具隔套(又名安全環或隔環)

1.2.1 隔套的作用(專指如圖1a),1b)所示刀具)

1)通過隔套的高度來限定刀具兩軸承內圈的距離,間接性地達到設定軸承內外圈嚙合度的目的,最終滿足刀具轉動扭矩的需求。2)把兩軸承內圈分別與上端蓋和刀軸凸臺(如圖1a)所示)或下端蓋(如圖 1b)所示)壓合,以限制乃至阻止軸承內圈的傾翻走向,進而減小刀圈(刀體)的軸向傾翻度θs、保證刀圈破巖效率、減少巖石對刀具的反作用力在圓錐滾子軸承軸向方向的受力分量(Fs),進而提高軸承的受力性能、適應刀具軸承在TBM上持久的承受大推力的工作環境。3)在限定刀體的軸向傾翻度的同時,保證刀具浮動密封在有效范圍內浮動。

1.2.2 隔套的參數設置的關聯因素

1)刀具設計的啟動扭矩需求情況(以適應的最低硬度的地質環境為準)。2)刀具軸承內外圈在滿足設定扭矩下的相對軸承內外圈不受力情況下的相對嚙合量差。3)浮動密封槽位置(刀具制造需考慮的關鍵參數)。4)浮動密封的彈性浮動范圍。5)刀具運行機理的要求(主要指保持軸承運行良好的壓合力要求)。6)不同的刀具其隔套的計算方式或設定標準多有不同,同一公司出的不同刀具也有區別。引大濟湟的刀具除在扭矩范圍限定不同外,其隔套高度計算公式與該TBM廠家給的資料及以往的刀具隔套計算公式均不符;雖然刀具可以按照公式組裝及維修刀具,但其造成的損失極其巨大,且需通過減少刀盤的推力來彌補其參數的不合理。7)隔套的設計高度范圍需求遠比通過扭矩測量或其他計算方法得出的隔套高度更為重要。隔套的高度如在刀具設計的結構要求范圍內,其使用壽命會因實際隔套尺寸與理想狀態下的差距大小而有所變化,但如果通過扭矩測量或其他計算方法得出來的隔套高度超出了設計需求的范圍,往往會面臨致命的危險。

1.2.3 隔套的采用因素

1)不同的刀具結構不同,隔套使用與否也有所不同ROBIONS的刀具因其端蓋、刀軸及刀體的結構及其相關的裝配因素,滿足了其不使用隔套仍能達到相同要求的效果,具體原因將在本文1.5中提及。這也是部分吸納多方刀具特點的國產化刀具采用組合設計方案或隔套的設定參數與刀具其他部件參數間關系考慮不夠,而造成失敗的原因。2)刀具承載力需求很低的地質(如部分盾構所適用地質),隔套的參數及精度設定要求有所降低,部分刀具取消了隔套的使用仍能滿足要求(靠軸承的自穩性就可滿足要求)。

1.3 刀具軸承

1.3.1 軸承的要求

1)最大需求徑向(主)、軸向(副)承載力——基礎。因TBM的設計推進強度及刀盤設計不同而有所區別;2)軸承的跳動度,是刀具國產化中眾多國產軸承達不到要求的最關鍵原因;3)軸承內外圈的嚙合比(不同廠家同一型號的軸承略有不同)——單位作用力下內外圈的軸向壓合度;4)刀具軸承內外圈在刀具運轉時受刀體傳遞的單邊最大軸向作用力所產生的最大偏轉角 θsmax。這是眾多刀具廠家或施工單位在更換使用原配軸承所未考慮到的重要因素,也是造成部分刀具廠家,在更換滿足刀具承載力需求及扭矩要求的軸承后,卻發生軸承及其他部分完好,而浮動密封在幾個掘進循環后就報廢的主要原因。

1.3.2 不同軸承間的替代

不同的軸承適應不同結構參數設定的刀具,所以設計體系完好的同型號刀具切不可隨意更換軸承。

1.3.3 軸承的裝配模式

1)過盈配合。這是傳統刀具普遍使用的裝配方式,也是無隔套刀具必需采用的裝配方式。2)間隙配合。大扭矩是隔套式刀具的一種裝配方式(青海引大濟湟所使用的刀具)。在相同高質量配件的環境下,軸承的損耗及因軸承內外圈滾動受阻而引發的刀具問題都大幅降低,且軸承有更低的報廢標準要求,而且軸承內外圈在刀具承受相同外力作用下的相對錯動更小,更有利于延長軸承的壽命(加重型圓錐滾子軸承以徑向承載為主)。通常一套刀具軸承在使用 2個 ～4個刀圈后就因諸如點蝕、片蝕等原因達到使用壽命,而青海引大濟湟在使用原裝或夾雜部分國產配件的情況,軸承均壽命要達到 5個刀圈以上,邊刀亦如此。

1.3.4 三種刀具啟動扭矩不同的原因

1)如圖 1a)所示刀具因軸承與刀軸之間為間隙配合,采用大扭矩,其目的是利用軸承內外圈之間的滾動摩擦系數低于軸承內圈與端蓋及刀軸間的滑動摩擦系數,在大的壓合力作用下,更能保證在軸承運行狀態良好的情況下,實現軸承的滾動效果而非軸承內圈與端蓋及刀軸的滑動效果,此種刀具因啟動扭矩大而僅適用于相對較硬的巖質。2)如圖 1b),1c)所示刀具的軸承均為過盈采用,其目的是為減少啟動扭矩以適應較寬范圍的巖質,而采取的保證軸承在狀態良好時保持滾動摩擦力遠小于軸承內圈與端蓋及刀軸間的滑動摩擦力的目的。3)如圖 1c)所示刀具的軸承扭矩可以設置的更小的原因在于其外圈間距更小,軸承外圈的間距越小,在軸承承受相同的單邊軸向力、相同的預緊力作用下,與軸承外圈相裝配的刀體密封安裝槽的軸向位移越小,可更有效地減輕浮動密封性能的壓力。

1.4 浮動密封

1.4.1 浮動密封的作用

通過楔形的密封鋼環,在膠圈的壓合力作用下實現刀體與端蓋間在有相對轉動情況下的封油效果。

1.4.2 浮動密封的使用要求

1)刀體與端蓋在可能的相對位移區間內頻繁活動時楔形密封鋼環仍能保持良好的封油效果。2)在保證 1)的同時,膠圈要具有良好的浮動效果,浮動范圍要有效于刀體及端蓋之間可能的最大相對活動區間。浮動密封的有效浮動范圍限定了刀圈在受巖面作用力時刀體的最大軸向偏轉角的大小,間接地限定了刀具軸承內外圈之間在限定的刀盤最大推力作用下的相對軸向偏轉角的大小。在相同的推力作用下,刀具的初始啟動扭矩與其軸向偏轉角的大小成反比。3)在滿足 1),2)的條件下,浮動密封要有持久的壽命。刀具端蓋一旦拆除,對應的浮動密封不可繼續使用。原本已磨合的相關鋼環及膠圈之間重新進行裝配后大多不能滿足良好的封油效果,并且重新拆裝后的軸承也會因重新經歷磨合而降低其壽命。所以浮動密封的好壞,直接影響刀具的整體使用壽命。

1.5 端蓋、刀軸及刀體

1)端蓋、刀軸及刀體加工要求說明：端蓋、刀軸及刀體均為結構部件,其整體加工精度相比隔套、軸承及浮動密封要相對較低,但特定部位的精度要求也是至關重要的。

2)精度重點保證部位：a.端蓋與刀軸間裝配后的垂直度;b.與軸承內圈壓合的端蓋面;c.刀軸的裝配面的精度;d.刀體與軸承外圈、浮動密封、刀圈間的裝配面。

3)三種刀具下端蓋、刀軸的結構分析：因如圖 1a),1c)所示刀具在軸承間的結合面方面,上端蓋內側結構與下端蓋相同,只是與刀軸間的配合不同(上端蓋為螺紋緊固、下端蓋分別為螺栓堅固或過盈堅固),如圖 1b)所示刀具上下端蓋結構相同,且三種刀具在使用過程中上端蓋受力比下端蓋小,故上端蓋相對下端蓋所擁有的安全保障要高得多,所以本文就不再對上端蓋與刀軸之間及它們與其他配件間的關聯因素進行分析說明。a.如圖 1a)所示WIRTH刀具與軸承內圈壓合的是刀軸,與軸承內圈壓合的刀軸臺階低于軸承內圈：刀軸的臺階容易形成支點,使軸承有傾翻趨向或出現傾翻位移;b.如圖1b)所示WIRTH刀具雖與軸承內圈壓合的是端蓋,但端蓋與刀軸間為螺栓緊固的壓合裝配,與軸承內圈壓合的端蓋臺階也低于軸承內圈：與圖1a)所示W IRTH刀具功效相同;c.如圖1c)所示ROBIONS刀具與軸承內圈壓合的端蓋臺階遠高于軸承內圈,在徑向力與軸向力的共同作用下,很難出現軸承相對于端蓋的傾翻趨向或傾翻位移;且如圖 1c)所示刀具底端蓋與刀軸間為過盈配合,加大了端蓋及軸承內圈所組成的整體抗傾力;限定底端蓋位置的刀軸凸臺要遠低于軸承內圈與底端蓋間的臺階,保證了在底端蓋相對于刀軸間有傾翻位移前,軸承內圈與底端蓋間不會出現傾翻位移(也因此圖 1c)所示刀具在使用過程中存在優越方面及相對弊端)。

4)綜 3)中所述端蓋與刀軸的結構分析決定了三種刀具的不同優缺點：a.如圖 1a)所示刀具端蓋最為輕便,且軸承與刀軸間的作用力傳遞不存在中間環節,相對最大限度的降低了風險因素,但必需用隔套來達到作用力的平衡,決定了其維修裝配更為繁瑣、精度方面要求更為嚴格;b.如圖1b)所示刀具端蓋與刀軸間為螺栓連接的緊密配合,給刀具附加的整體重量效果較圖 1a)要大得多,在風險因素方面雖然多出螺栓出問題的風險,但即便螺栓出現輕微問題不會影響其他部件的損耗;此種結構因刀具重量過重,不論從成本還是使用便捷方面考慮,都有很大弊端;c.如圖1c)所示刀具在重量方面在如圖1a),1b)所示刀具之間,且完全可以拋去隔套的使用價值,省去不少相對其他刀具的維修及裝配環節,使相關操作更為便捷,但此種結構也引發另一弊端：底端蓋與刀軸間的過盈裝配在使用過程中容易出現相對搓動,一旦相對搓動發生,雖導致的O形圈受損其滲油度有限,不至于很快損壞刀具其他部分,但將直接導致隨后換刀行為的發生,且相應刀軸及底端蓋將不可繼續使用。在刀具使用中,此種損失量所占份額不小。

2 三種刀具運行,正常情況下的主要配件損耗數據對比

因各工程使用環境不同、TBM性能有別、刀盤直徑有別、所通過地質環境有別,故此處僅以三個工程施工中的初級階段的刀具使用情況為依據,且僅以刀圈的更換次數為標準來衡量,三種刀具的主要配件損耗數據見表 1。

表 1 三種刀具的主要配件損耗數據

雖然從表1中看出正常使用情況下,圖1a),1b),1c)所示刀具性能從優到劣,但具體使用中,其適用的地質寬度范圍卻從窄到寬。

3 結論

3.1 刀具設計、加工、維修及裝配中關鍵部位參數及精度范圍的考慮優先級(按從高到低,從先到后的原則)

TBM掘進性能需求(即所設計的主推進力大小)—刀盤結構形式及刀孔分布情況—刀具所分擔的最大可能性承載力—刀具在最大可能性承載力狀態下其軸承在不同啟動扭矩下產生的不同偏轉角及偏轉位移—浮動密封性能—刀具軸承在滿足可能性的偏轉角及偏轉位移的限定下,遵循刀具啟動扭矩越小,適用性越好的原則,選取相應工程可行性啟動扭矩范圍—浮動密封槽尺寸及精度—隔套厚度(精度)范圍—刀軸可靠性(材質及精度)—刀體軸承外圈槽精度—端蓋內側平整度及相對于刀軸間的裝配垂直度。

3.2 刀具關鍵部件參數(精度)優先級補充說明

1)關鍵部件的參數設定存在眾多關聯性,故不同設計的刀具,扭矩范圍不可隨意更改,扭矩范圍存在唯一性。2)有隔套的刀具,刀具配件的加工精度要求及啟動扭矩的范圍選取的重要性要高于隔套的厚度精度,隔套的厚度精度程度只是延長刀具壽命的理論手段之一,而刀具配件的加工精度及啟動扭矩的范圍選取卻關系刀具的存亡。隔套厚度加工精度所要求的以絲為單位的規程,在動輒活動范圍以毫米為單位的啟動扭矩選取范圍面前顯得微不足道。所以現實使用中,隔套的精度與規定偏差不是太大時,不會對刀具造成大的影響,而十幾二十幾牛頓的啟動扭矩變化所引起的對刀具的影響常常是致命的(在刀具性能與 TBM性能接合緊密的情況下)。3)在小偏差范圍內,隔套平整度的重要性要高于隔套厚度的精度范圍。4)刀具的軸承,不可隨意更換品牌,不同品牌的軸承其受力形變性不同;在刀具維修過程中,在沒問題的情況下,盡量保持不動,萬不可為提高安全性,而頻繁拆裝甚至更換新軸承,運行良好的軸承已與刀具其他部分達到了某種磨合;更換新軸承,對已使用過的刀體、刀軸都是一種損傷,且使刀具很多組件之間又重新經歷磨合,之后刀具的整體壽命將大大下降。新軸承刀具未必比舊軸承刀具更有安全保障,這種新軸承高安全保障級數,只是存在總體的相對性,而不是絕對性。5)在正常的刀具使用中,浮動密封的壽命對刀具的整體壽命起關鍵性作用。

3.3 刀具國產化、優化設計的建議

1)應結合相應TBM結構、運行特性及國內施工特點等實際工況為出發點。各種已有的成功刀具類型可以作為參照的對象,而不能完全依照成功的刀具結構來盲目國產化,更不能揉合幾種刀具的特性來盲目進行“優化刀具”。簡而言之,不能因為對象是刀具而把國產化及優化設計的依據僅僅局限于刀具自身(每個成功的 TBM、盾構公司,都有他們自己的刀具生產,以與其自身的TBM/盾構相匹配)。

2)要建立在準確的使用反饋機制之上,沒有長期的實踐刀具使用經驗,刀具國產化、優化設計的道路難以走遠。實踐的經驗不是一天兩天,不是一個月兩個月,也不是一年兩年,準確的把握原理、細節及工況才是成功的鋪墊(國外幾家出名的TBM/盾構公司,刀具仍在根據實踐情況及新生先進技術、先進材料的涌現而不斷的改進著,近些年來所用的刀具很多都有或多或少的改進)。

3)要準確把握以上提到的各環節間的關系,不可盲目更改刀具中的一種或幾種配件類型/參數。

4)要有相應的模擬試驗設施(以求紙上談兵更接近于實際情況)。

4 結語

刀具是個極其注重細節的東西,不同的刀具設計理念、不同的刀具加工地、不同的配件組合,都會造成刀具關鍵部件或多或少的參數調整。要想做好、管好一種刀具,不是隨意拿來其他刀具的經驗就可以用的。而要做好、管好一種刀具,最根本、最簡便的思路就是以“存在的就是合理的”這句話為大范圍框架下的思考、探索、實踐與改進。未來的刀具將會向著更持久、更耐用、工作效率更高、適用地質更寬、對刀盤結構的保護更有效、維修更簡易、更換更方便的方向發展。希望以上本人幾年的刀具工作經驗能給一些有需要的人以幫助。

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Research on the design of single-edged disc cutter

SHI Xiao-zheng

Through analyzing the operation mechanism and main structural parameter relationship of several full-face Tunnel Boring Machine (TBM)single-bladed disc cutters,it provides basis for corresponding type cuttermaintenance,problem cutter identification,and structural parameter set relationship of Chinese-built cutter,which also has referring significance for sim ilar knives in relevant aspects.

isolated case,bearing,floating seal,end cap,cutter body,cutter axis

U 455.31

A

1009-6825(2011)09-0227-04

2010-11-22

石小政(1980-),男,助理工程師,中國中鐵隧道集團有限公司,河南鄭州 450000

·建設經濟·