淺談敞開式硬巖掘進機刀盤裝配技術

摘 要：主要通過介紹敞開式硬巖掘進機刀盤的結構形式和工作原理，詳細分析了刀盤裝配中的技術難點，并根據其結構特點詳細介紹和論證了刀盤裝配的合理可行的裝配方案，針對裝配方案中的技術難點，詳細分析了刀盤裝配精度和使用性能的要求，并采取了合理的工藝措施和技術手段，保證刀盤的裝配精度和使用性能，具有一定的參考意義。

關鍵詞：敞開式硬巖掘進機；刀盤裝配；裝配方案；滾刀座；安裝工具

引言

敞開式硬巖掘進機是一種集掘進、出渣、導向、支護和通風等多功能為一體的大型高效隧道施工機械，適應于硬巖地質條件，主要依靠安裝在刀盤上的17″和20″盤形滾刀對開挖面的巖層進行滾壓破碎。敞開式硬巖掘進機刀盤需要滿足特定的工程地質和水文地質條件，以及超長距離、超大斷面、存在軟弱巖層、高速掘進、在不同的地質情況下仍具有良好的破巖開挖能力，并能高效安全地通過洞線上的各類地層的技術要求，因此，敞開式硬巖掘進除研發設計時充分考慮刀盤的強度、剛度、耐磨性和耐久性外，還應研究采用合理的加工和裝配工藝手段，保證刀盤的整體裝配精度和使用性能。

目前刀盤的裝配需要多次調整檢測，效率較低，更重要的是很難保證關鍵部件盤形滾刀的安裝精度，且影響刀盤結構強度。其次，受敞開式硬巖掘進機地下施工環境的限制，施工過程中的維修非常困難，刀盤工廠內的裝配過程便十分關鍵，是保證刀盤使用性能的檢驗過程，因此刀盤的裝配也是整個刀盤制造過程中的重要環節。

本篇主要以直徑Φ8.53m敞開式硬巖掘進機為例，介紹敞開式硬巖掘進機刀盤的裝配技術，結合刀盤的結構形式和技術難點，采取合理的工藝措施和手段保證刀盤的裝配精度。

1 敞開式硬巖掘進機刀盤的結構形式和工作原理

1.1 敞開式硬巖掘進機刀盤的結構形式

如圖1 所示，敞開式硬巖掘進機刀盤直徑為5瓣把合的結構形式。刀盤結構件主要包括中心塊、左邊塊、右邊塊、上邊塊和下邊塊。

刀盤的周邊布置有鏟斗，鏟斗沿刀盤外圍分布，用來把巖渣從隧洞底部鏟至頂部，然后沿著出渣槽到達主機皮帶出渣機上方的巖渣漏斗。鏟斗開口上安裝有可更換的斗齒，有助于在隧道沿線可能遇到的松散巖石的開挖和裝料，以提高周邊圍巖斷面平整度。刀盤表面覆有TRIMAY耐磨板和HARDOX耐磨板，用于防護刀盤磨損。刀盤面上裝有噴水系統，噴水系統通過刀盤中心的旋轉接頭將水壓送到的各個噴嘴點，起到施工中降溫和濕塵的作用。

刀盤上布置背裝式盤型滾刀，分別為45把20寸滾刀和4把17寸中心滾刀，滾刀安裝在滾刀座上，盤形滾刀在刀盤上呈雙螺旋線布置，且分布在不同的角度面上，安裝中存在各種不同角度和高度，掘進施工時主要通過兩等距相鄰滾刀對巖石擠壓，使巖石產生裂紋進而進行破碎。

1.2 敞開式硬巖掘進機刀盤的工作原理

通過刀盤驅動系統驅動刀盤旋轉，并由推進系統給刀盤提供推進力，在推進力的作用下滾刀切入巖石掌子面。不同部位的滾刀在掌子面上留下不同半徑的同心圓切槽軌跡，在滾刀的擠壓下，相鄰切槽的巖石在剪切力作用下從巖體上剝落下來形成石渣，石渣則隨著刀盤的旋轉由刀盤上的鏟渣斗自動拾起，經刀盤內的溜渣槽輸送出去。

2 刀盤裝配技術難點

2.1 刀盤的組對

直徑8.53m刀盤5瓣體積較大，調整困難。刀盤各瓣制造過程相互獨立進行，調整時各瓣組對基準點存在誤差。各瓣通過定位銷定位，用螺栓聯接，各瓣結合面的形位公差要求為0.05mm/1000mm，結合面上的銷孔共計8個，螺栓聯接孔共計1144個，數量較多，位置精度要求為Φ0.1mm，精度要求嚴格，刀盤裝配后整體平面度為0.2mm/1000mm，直徑公差為0～3mm，裝配技術復雜。刀盤裝配中保證刀盤直徑尺寸、刀盤圓度及平面度成為技術難點。

2.2 滾刀座的安裝

滾刀座為分體式結構，由嵌塊和左、右半刀座組成。在安裝之前，需要將左、右半刀座和嵌塊分別進行組對，此工序要求精確保證左、右和嵌塊的組對尺寸。

滾刀座的安裝應以刀盤旋轉中心為基準并參考刀盤的十字中心線和刀座孔的徑向中心線進行定位，在刀盤水平面上呈雙螺旋線分布，安裝位置復雜。根據刀盤性能要求滾刀座安裝需達到以下工藝要求：

a.滾刀座安裝在設計確定的X和Y方向坐標點上；b.滾刀座安裝后須刀盤旋轉圓的切線上，不得偏斜和歪曲；c.滾刀安裝后須保證刀刃在同一平面上；d.邊滾刀安裝后刀刃在設計確定的過渡曲線上。

同時保證滾刀座安裝允許偏差：高度方向為0～2mm，圓周和徑向偏差為±1mm，水平角度偏差為1°，軸向角度偏差為1°。即保證滾刀座安裝后盡量使各滾刀所受載荷盡量相等，每把滾刀的破巖量也盡量相等，盡量使刀盤掘進時在X、Y、Z三個坐標位置上的受力投影代數和為零，保證各滾刀的使用壽命、刀盤的破巖效果和延長刀盤的使用壽命及減少掘進機的振動。因此滾刀座的安裝精度對掘進機的性能影響非常大。

3 刀盤的裝配方案

3.1 刀盤各部件裝配順序

滾刀座及鏟斗等各件的安裝均以刀盤中心為基準，所以首先要先將刀盤各塊進行組對；滾刀座的安裝十分關鍵，為便于調整和消除應力處理，需先進行刀座的焊接安裝；同時堅持先重要后次要，先焊接后組裝和盡量減少刀盤翻個次數的原則，由于耐磨板焊接工序環境惡劣，容易造成零件的二次污染和毀壞滾刀軸承等精密零件，應盡量安排在前工序中進行。

因此刀盤各部件的裝配基本順序為：刀盤組對檢測-滾刀座的安裝-鏟斗的安裝-耐磨板的焊接-噴水裝置的安裝-滾刀的安裝。

3.2 刀盤的組對

刀盤各瓣的組對工序主要是調整和檢查刀盤組對后的直徑尺寸和圓度、平面度，同時為下步工序做準備。根據刀盤的結構形式和上述技術難點，我需要采取特殊的工藝方法，來保證刀盤的組對精度。考慮刀盤各瓣尺寸較大，調整困難，且單獨制造生產，無組對統一基準的問題，為此，在我們要求在刀盤的上面各塊結合縫處以刀盤中心為基準加工出數個R100mm的基準面，作為刀盤組對和檢測的基準，也作為各瓣法蘭面把和孔的加工基準，該基準面在充分考慮各瓣的平面度和直徑尺寸的情況下，以刀盤中心為基準進行加工，位置精度控制在0.1mm，這樣就可以有效地控制刀盤的平面度、圓度和直徑尺寸。

3.3 滾刀座的安裝

以49#-53#邊滾刀座為例，如表1所示，49#-53#邊滾刀分布在不同的角度面上，各滾刀座X、Y和角度方向安裝尺寸要求很嚴格，采用一般檢測調整的方法，無法直觀地標示出各滾刀座的坐標，很難對各滾刀座位置進行精確定位。

表1 49#-53#邊滾刀座安裝位置

為此，需采用特殊的裝配工藝方案，設法將各滾刀座的安裝坐標直觀精確地以刀盤中心為基準標示出來。該工藝方案為將各滾刀座的位置坐標標示在刀盤檢測樣板上，通過刀盤檢測樣板在刀盤中心部位定位并旋轉一周，即可依次標示出各滾刀座的位置。刀盤檢測樣板主要由底座、固定柱、卡環、固定座、刻度板和外輪廓檢測板組成，固定座與固定柱為基孔制間隙配合關系，并可以通過擰緊卡環以限制固定座上下方向上的位移。刻度板用螺栓固定在固定座上，可以以固定柱為中心自由轉動，并通過調整固定座的來調整刻度板的高度尺寸。底座通過定位銷定位在刀盤中心，實現旋轉中心與刀盤中心重合，刻度板上刻有各滾刀座的軌跡位置線，因此刀盤檢測樣板旋轉一周，即可通過刻度板上各滾刀座的軌跡線標識出各滾刀座的位置。

1.底座；2.固定柱；3.卡環；4.固定座；5.刻度板；6.外輪廓檢測板

圖3 刀盤檢測樣板

刀盤制造過程中要求進行2次消除應力處理，要求第二次消除應力處理為刀座焊接完成后進行，以消除刀座焊接產生的焊接應力，這就決定了刀盤需經2次加工。這樣滾刀座安裝就有兩種方案，第一種方案為第一次初加工各加工面留10mm加工余量，然后組對焊接嵌塊并進行退火消除應力處理，然后再焊接組對左右半刀座，合格后再最終加工刀盤，工序比較復雜。第二種方案為不進行退火處理，改為刀座焊接完成后進行振動時效消除應力，此時就可以先將嵌塊和左右半刀座組對，再使用工裝進行安裝。在滿足刀盤裝配精度的前提下，方案二的工序簡單，工作強度小，效率高，較為合理。現以第二種方案為例介紹滾刀座的安裝。

（1）刀座孔位置的檢測。刀座孔的位置在刀盤結構件焊接并熱處理后會存在一定的誤差，故在安裝滾刀座之前要先進行刀座孔的位置檢測，主要目的是通過檢測作出刀座的安裝位置刻線，如果存在刀座孔位置存在偏差，則需要檢測偏差值作為修配的依據。此工序通過刀座孔檢測樣板來實現，刀座孔檢測樣板上刻有滾刀基準線和刀具軌跡對正線，底板的尺寸與刀座組對后的尺寸相同，可作為標記刀座安裝位置的依據。如圖4所示刀座孔檢測樣板與刀盤檢測樣板上的對應刀具軌跡線對齊后，達到要求的偏差值用固定夾固定在刀盤檢測樣板上，隨著刀盤檢測樣板的旋轉依次檢測各滾刀孔的位置。

（2）滾刀座的安裝。針對滾刀座分體式結構形式，為精確保證嵌塊和半刀座之間的尺寸，采用刀座安裝工具進行安裝。刀座安裝工具軸部結構形式與滾刀軸部形式一致，可以以滾刀組裝的形式與刀具座進行組裝，起到代替滾刀的作用，減小了基準不重合誤差和滾刀實際安裝中調整的誤差，如圖5所示，刀座與安裝工具組對后即可保證刀座的組對尺寸，精確可靠。

圖5 刀座安裝工具

刀座安裝工具上刻有滾刀基準線和刀具軌跡對正線，安裝時，如圖4所示，與刀盤檢測樣板上的對應刀具軌跡線對齊，達到要求的偏差值，即可依次對各滾刀座進行定位焊接。此方案進行振動時效消除應力后再經過一次最終檢驗即可。

本滾刀座安裝方案以刀盤中心為基準，一次精確定位，避免了多次測量產生的誤差；刻度板上滾刀軌跡刻線，可方便的標識出各滾刀的實際工作位置，更直觀準確，便于尺寸的調整和檢測，完全滿足刀盤的裝配精度。

3.4 鏟斗的安裝

鏟斗安裝高度尺寸為97mm，比滾刀低38mm，在刀盤外周面上分布角度復雜，要求高度等位置尺寸嚴格，安裝過程中調整位置精度直接影響到刀盤使用中刀具的磨損和石渣的鏟出量。鏟斗的安裝以刀盤中心為基準，為保證其安裝精度，采用與滾刀座安裝同樣的工藝方法，利用刀盤檢測樣板在刀盤中心定位，借助外輪廓板精確控制鏟斗的安裝位置，依次調整各鏟斗裝配的高度尺寸，保證鏟斗與刀盤檢測樣板之間的間隙。

4 結束語

通過對敞開式硬巖掘進機刀盤的結構形式、工作原理和裝配技術難點的分析，詳細介紹了敞開式硬巖掘進刀盤的裝配技術，本裝配技術方案可精確對滾刀座和鏟斗等部件進行安裝，控制刀盤的整體裝配精度，同時具有精度高，效率高，勞動強度低的特點，完全滿足刀盤的使用性能要求。

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作者簡介：丁洪波（1986-），北方重工集團盾構機分公司，工程師。