盾构掘进机破岩刀具

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1、盾构掘进机刀具综述盾构掘进机刀具综述晁焕清晁焕清 王汉章王汉章 邹恒邹恒洛阳九久技术开发有限公司洛阳九久技术开发有限公司主要内容主要内容1.盾构机刀具的类型和破岩机理2.盾构机刀具的结构3.盘型滚刀的材料和性能4.刮刀的结构和性能5.盾构机刀具的应用及对地层的适应性6.提高盾构机刀具寿命的途径1 盾构机刀具的类型和破岩机理盾构机刀具的类型和破岩机理1.1 盾构机刀具常用类型盾构机刀具常用类型目前使用的刀具一般分为两大类:刮削刀具、滚动刀具刮削刀具刮削刀具(刮刀、割刀刮刀、割刀)刮削刀具是指只随刀盘转动而没有自转的破岩刀具，刮削刀具的种类繁多，目前盾构掘进机上常用的刮削刀具类有边刮刀、刮刀、切刀

2、、齿刀、先行刀、仿形刀、刮板等。滚动刀具滚动刀具(滚刀滚刀) 滚动刀具是指不仅随刀盘转动，还同时作自转运动的破岩刀具。 根据刀刃的形状滚刀可分为：齿形滚刀（钢齿和球齿）、盘形滚刀（钢刀圈滚刀和球齿刀圈滚刀）。见图 根据安装位置滚刀可分为：正滚刀、中心滚刀、边滚刀、扩孔滚刀。 目前盾构掘进机滚刀主要是盘形滚刀，盘形滚刀又有单刃、双刃和多刃。1.2刀具破岩机理刀具破岩机理刮削类刀具的工作原理刮削类刀具的工作原理 在刀盘推力的作用下，刮刀嵌如岩渣或岩层中，刀盘带动刀具转动时刮削岩层，在掌子面形成一环环犁沟，特点是效率高，刀盘转动阻力大。 在软土地层或滚刀破碎后的渣土通过刮刀进行开挖，渣土随刮刀正面进

3、入渣槽，因此刮刀既具有切削的功能也具有装载的功能。盘形滚刀工作原理盘形滚刀工作原理 刀盘在纵向油缸施加的推力作用下，使其上的盘形滚刀压入岩石；刀盘在旋转装置的驱动下带动滚刀绕刀盘中心轴公转，同时各滚刀还绕各自的刀轴自转，使滚刀在岩面上连续滚压。刀盘施加给刀圈推力和滚动力（转矩），推力使刀圈压入岩体，滚动力使刀圈滚压岩体。通过滚刀对岩体的挤压和剪切使岩体发生破碎，在岩面上切出一系列的同心圆（见图）。各类刀具的主要破岩机理刀具类型刮刀楔齿滚刀球齿滚刀盘形滚刀主要破岩机理刮 削剪 切龟 裂挤 压研 磨运动形式滑动滚动+微滑滚动+滑动滚动+滑动刀齿形状刨刀状楔状球面状楔状2盾构机滚刀的结构盾构机滚刀的

4、结构滚刀结构如图所示。它们主要由刀圈、刀体(套)、刀轴、轴承、金属浮动密封环、刀盖(座)及联接螺栓等件组成。21 滚刀的内部结构滚刀的内部结构是保证滚刀工作时正常旋转的关键，通常是由轴承、密封、润滑油脂组成。根据刀具的发展，大体经历了三个阶段，即有三种结构。22 刀具安装结构安装结构是为了把滚刀即方便又可靠的安装在刀盘上。常用的安装形式有如下几种。23 刀具刀刃结构形状刀刃是用来破岩的，通常有齿形和盘形两大类，每一类往往又有多种不同的刀刃形状。如下图.3.盘型滚刀的材料和性能 3.1刀圈的材料刀圈的材料 根据刀圈的工作条件，刀圈材料应满足以下性能：1)高的屈服强度，避免刀刃端在高应力下压溃变形

5、； 2) 足够高的硬度，增加耐磨性，减少刀圈磨损； 3) 良好的冲击韧性，提高材料裂纹扩展功，防止刀圈断裂；4)良好的抗回火性能，提高材料的热稳定性，保证刀圈在热装和滚压岩体过程中不降低硬度。5)良好的热加工和冷加工的工艺性能，材料成本低，制造方便，提高产品合格率。 目前的滚刀刀圈有两大类：整体耐磨钢材料和镶有硬质合金球齿的刀具材料。 整体耐磨钢刀圈材料主要以合金工具钢为主，也有合金结构钢，硬度在HRC52-59, 它的特点是可以承受较大的冲击，并具有较高的耐磨性能，刀具制造费用较低，适用地层范围广，从软岩、中硬岩到硬岩都可选用。常用刀圈材料成分 类 别CSiMnPSCrMoVNiCu9Cr2

6、Mo0.85-0.950.2-0.40.2-0.40.030.031.4-2.00.2-0.46Cr4Mo2W2V0.5-0.70.2-0.40.2-0.40.010.023.5-4.52.0-3.01.0-1.54Cr5MoSiV10.32-0.420.2-0.50.8-1.24.75-5.51.1-1.750.8-1.2Robbins刀圈实测0.390.530.650.0180.0090.840.241.620.25Wirth刀圈实测0.500.760.320.0320.0195.151.170.720.250.13各国工具钢材料标准比较标准牌号CMnSiCrMoVGB4Cr5MoSiV1

7、0.32-0.420.2-0.50.8-1.24.75-5.51.1-1.750.8-1.2DINX40CrMoV510.37-0.420.3-0.50.9-1.24.8-5.51.2-1.50.9-1.1JISSKD610.32-0.420.50.8-1.24.5-5.51.0-1.50.8-1.2NFX40CrMoV50.36-0.440.2-0.50.8-1.24.8-5.51.2-1.50.85-1.15ASTMH130.32-0.450.2-0.50.8-1.24.75-5.51.1-1.750.8-1.2各国合金结构钢材料标准比较标准牌号CMnSiCrMoNiGB40CrNiMoA

8、0.37-0.440.5-0.80.17-0.370.6-0.90.15-0.25DIN36CrNiMo40.32-0.400.5-0.80.40.9-1.20.15-0.30.9-1.2JISSNCM4390.36-0.430.6-0.90.15-0.350.6-1.00.15-0.301.6-2.0NF40NCD30.37-0.440.6-0.90.4 0.9-1.20.15-0.31.3-1.7ASTM43400.38-0.430.6-0.80.15-0.350.7-0.90.2-0.31.65-2.0国外刀圈性能 表2类 别b(Mpa)5%aK(J/Cm2)HRCX50CrMoV51(

9、Wirth刀圈实测)20505.5101454574340Robbins刀圈实测405253 通过对国外刀圈解剖分析和我们的研究，各刀圈制造公司对标准材料都会作适当调整，并采用特殊的冶炼工艺、锻造工艺和热处理工艺,保证刀圈的综合性能。 球齿刀圈是在钢基体上镶嵌硬质合金刀头，硬质合金刀头呈球状或楔状，硬质合金硬度为HRA85-88。一般认为，抗压强度超过175Mpa的坚硬岩采用球齿刀圈，它很好地解决了刀圈硬度（主要由合金球头满足硬度）和韧性（刀圈基体不要求太高硬度，韧性增加）的矛盾，其寿命是钢刀圈的3-5倍。但制造成本较高。3.2刀具密封装置：刀具密封装置： 密封是保证滚刀内腔的润滑剂不漏出并防

10、止外来物进入，对保证轴承正常工作和延长工作寿命是十分重要的。采用金属浮动密封环密封。 金属浮动密封环密封属于机械端面密封的一种，这种密封在均匀载荷、润滑优良的条件下试验寿命高达5000h。由于滚刀作业受力的复杂多变、使用环境恶劣，有一定的外部介质压力等，使用寿命会降低很多，但还是能满足滚刀使用要求的。 这种密封由两个啮合的金属密封环和两个富有弹性的复合橡胶密封圈组成。具有浮动能力，可补偿装配端间隙或防止偏斜。金属密封环是密封装置中的主要零件，其结构及质量的好坏起决定性作用。金属密封环采用高硬度的耐磨高铬钼的铸铁材料，硬度HRC60-65，工作表面粗糙度Ra0.1um，表面平面度0.0015mm

11、。这种金属密封环其特点如下： 采用4度导油斜面及大曲率半径球面环与平面环结构，有利于形成油膜,以保证轴承润滑油不泄漏及阻止泥土进入轴承腔； 采用高光洁度及硬度工作面，减少了摩擦阻力，使工作面贴合良好，提高密封性能；（3） 浮动密封环采用的复合橡胶0型密封圈,具有可压缩性大及回弹性好等特点。始终对金属环施加压力，让金属环工作面始终接触，保证轴承润滑油不泄漏及阻止泥土进入轴承腔，起到密封效果。 滚刀橡胶密封件性能指标 项目浮封环用0型密封圈其它位置O形密封圈硬度(邵尔A型)605705扯断强度MPa 最小911扯断伸长率 最小300220压缩水久变形最大(空气10022h)40353.3刀具轴承刀