盾构机刀具刀盘修复堆焊焊丝和耐磨复合钢板研究

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1、盾构机刀具刀盘修复堆焊焊丝和耐磨复合钢板研究赵学彬，孙哲峰，张发云，王建英(北京佳倍德工程技术有限公司，北京100025)摘要：北京地区地层中含有大量的砂砾和卵石，地铁盾构施工时盾构机刀具受到高应力下的磨粒磨损和冲击作用，损耗严重。进口刀具仅能掘进250米左右，这不仅增加了地铁施工成本，影响了施工进程，还增加了因刀具更换次数过多而带来的塌方隐患。本文从刀具的堆焊修复着手开展了盾构机刀具强化研究，开发了SHIELD系列堆焊药芯焊丝。SHIELD系列焊丝所制堆焊层硬度在HRC51以上，堆焊时无需对刀

2、体进行预热和焊后热处理，堆焊层无裂纹。通过冲击实验和磨粒磨损实验，考察了堆焊层的硬度、组织及其磨粒磨损性能，实验结果表明堆焊层具有优异的耐磨耐冲击性能。通过合理的堆焊层设计，强化的盾构机刀具达到掘进780余米的使用寿命。关键词：盾构机刀具；堆焊；药芯焊丝；冲击；磨粒磨损Abstract:InBeijingarea,thereareplentyofgritandscreeinsoil.Whenshieldmachineworks,itscutterssufferfromstrongimpactan

3、dhighstressgrindingabrasion.Andtheimportcutters’servicelifeisjustabout250m.Itincreasesthecostanddelaysthescheduleofsubwayconstruction,andalsotakesmoredangersformoretimesofshieldcutters’replacing.Launchedonrepairingofthecutters,hardfacingflux-coredwir

4、enamedSHIELDisdevised.Thehardnessofdepositedmetalisaboveto51HRC.Itneedsnopreheatingandafter-heatingtocuttersinweldingandtherearenocracksinthedepositedmetal.Thehardness,microstructureandperformanceofdepositedmetalwereresearchedthroughimpacttestingandg

5、rindingabrasiontesting.Theresultsshowthatthedepositedmetalisgoodathard-workingandbearingofwearabrasion.Theservicedistanceofdevelopedcuttersismorethan780mthroughappropriatedesignofhardfacinglayerwithSHIELD.KeyWords:shieldmachine;hardfacing;flux-coredw

6、ire;impact;grindingabrasion中图分类号：TG47,TG71文献标识码：A0引言盾构法是利用盾构机在地面以下暗挖隧道的一种施工方法，具有安全高效、对地面干扰小等优点，是当前城市隧道建设的最佳选择。2001年7月北京地铁五号线盾构试验段进行始发掘进，这是北京地区首次将盾构施工法引入地铁隧道建设。在北京市科委的大力资助下，通过对盾构机刀具、刀盘的详细失效分析，研发了刀具、刀盘修复专用系列堆焊焊丝和耐磨复合钢板，有效解决了刀具刀盘的磨损问题，大幅提高了刀具寿命。1北京地区地质特

7、征及盾构机刀具失效原因北京市地处永定河洪冲积扇的中上部[1]，地层中含有大量的砂卵石（见图1），而且一般级配良好，含砂率在25％～40％之间[2]，盾构机在此地层中施工远比在砂性土层中施工困难。地铁隧道施工时，盾构机刀具受到强烈的冲击和高应力的磨粒磨损，这是造成刀具迅速失效的主要原因[3]。图2为刀具的失效形貌图，可见刀具的失效主要是刃口上镶嵌的硬质合金的脱落和折断。刀具作为盾构机的主要损耗件之一，全部依赖进口，不但造价昂贵，运输耗时、耗资，对地铁施工的进程造成了很大的影响,而且频繁更换刀具使得

8、开仓次数增加，加大了塌方危险发生的可能性。因此，开展盾构机刀具、刀盘的修复研究，显得尤为必要。图1北京地区地层渣土图2盾构机刀具失效形貌图3盾构刀具不同失效部位的SEM分析表1盾构刀具磨损特性分类表刀具部位内侧本体外侧本体外侧球齿刃口磨损性质犁沟式磨粒磨损犁沟磨损+碾压磨损犁沟磨损+塌陷冲击磨损强度等级较弱很强很强很强通过对进口盾构刀具在砂卵石地层的磨损特点分析，我们得出的结论是：盾构刀具在砂卵石地层施工中，主要的失效形式为：冲击破坏、犁沟式磨粒磨损和碾压磨损。由此，我们开成功开发了盾构机刀具专