TBM掘进机盘型滚刀的研制.doc

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1、TBM掘进机盘型滚刀的研制刘春(中国铁路工程总公司，北京)摘要：TBM刀具是关系TBM掘进速率的基本要素。通过对刀具工作条件的分析和研究，指出刀具寿命与岩石完整性及其在刀盘的位置相关；提出关于整刀及其刀圈、刀体、刀轴、托架、轴承、油封等部件选材、热处理和加工精度的技术指标要求以及相应试验方法和原则：最终以刀位系数作为刀具评价标准，选取优良刀具进行现场试验。关键词：随道；施工设备；TBM掘进机；盘型滚刀；研制自1997年我国引进TB880E掘进机(以下简称TBM)以来，已成功将其应用于秦岭、磨沟岭和桃花铺等隧道的掘进施工，提高了施工速度，降低了工程成本。但在施工实践中，仍存在刀

2、具消耗量大、更换耗时等问题。掘进机使用盘形滚刀在岩面滚压破碎岩石，掘进成洞。作为破岩工具，盘形滚刀刀具磨损速率直接影响隧道掘进速度和掘进成本，尤其使用大直径TBM在硬岩中掘进，消耗盘形滚刀的数量更大，影响就更为突出。据统计[1],TBM每掘进10.865km(直径8.8m)，盘形滚刀破碎岩石66xl04m3．使用各类盘形滚刀1201套，消耗各类刀圈4218个，更换刀具轴承2239套。为减少刀具消耗数量，降低购买成本，结合施工实际，开发研制了新型TB880E掘进机盘型滚刀。1TBM施工对盘形滚刀的使用要求在掘进过程中，盘形滚刀要承受伴随破岩过程产生的高强度冲击与振动、剧烈摩擦和

3、温度的变化，造成刀圈磨损乃至断裂、密封损坏而漏油、轴承疲劳损坏和碎裂、联接螺栓松动或断裂等一系列损坏，使盘形滚刀失去破岩能力，必需更换与检查维修。TBM施工对盘形滚刀提出以下使用要求：(1)刀圈必须具备高应力下的耐磨性和冲击韧性：(2)盘形滚刀必须具有较高的承载能力，在巨大压力和强烈振动的工况下能正常运转、破岩：(3)轴承有充分的润滑和可靠的密封；(4)盘形滚刀在刀盘上安装固定可靠，在振动与冲击的作用下，盘形滚刀螺栓不松动、断裂。2盘型滚刀工况2.1盘型滚刀在大刀盘上的布置如图1所示，在TB880E刀盘上有6把中心刀、62把面刀（正滚刀）、3把边刀，共计71把刀进行掘进，另外

4、还有2把扩孔刀，作为更换边刀时扩孔之用。图1盘型滚刀布置图图2显示了正滚刀的组成：刀圈热压在刀体上，由挡圈保持了它的轴向位置，防止窜动；轴承提供刀圈切削过程中的被动回转功能，否则就会发生偏磨，它同时能承受正常状态下25t推力；两个端盖使滚刀成为一个整体，靠托架和楔形垫块安装在大刀盘上。图2正滚刀剖面图2.2掘进机破岩机理如图3所示，掘进机切削岩石的机理是：掘进时，盘型刀沿岩石开挖面滚动，通过大刀盘均匀地在每把盘型刀上对岩面施加压力，形成滚动挤压切削而实现破岩。大刀盘每转动一圈，盘型刀将切入一定深度，在盘型刀刀刃与岩石接触处，岩石被挤压成粉末，从这个区域开始，裂缝向相邻的切槽扩

5、展，进而形成片状石碴。图3掘进机破岩机理示意图(2)2.3刀位磨耗标准如图4显示：一把新的17英寸盘形滚刀其外径尺寸为432mm，切削中刀圈被磨耗，当顶高磨耗了38mm时(外径减小为356mm)，必须更换新的刀具。在换刀和进行刀具调位时，相邻两把刀的高差应控制在15mm左右，最大不超过25mm，以减少相邻刀具之间所受推力的不平衡，而这种不平衡力有时可能是刀具承受正常受力的10倍，使盘形滚刀的损坏概率增加。图4刀位磨耗标准图(3)分析得知，刀具磨耗高度不同状况下，切削效果有较大差异：经过计算，一把新的盘型滚刀以5mm切入深度(ip)切削岩石时，刀刃与岩石接触面积(Ac)是107

6、6mm2．此时刀具对岩石产生的挤压应力(σ)是232.22MPa。当盘刀在高度上的磨蚀量(t)为10mm时，Ac=1688.51mm2，σ=148.05MPa：当t=30mm时，Ac=2207.5mm2，σ=113.25MPa;当t=38mm时，Ac=2620.20mm2，σ=95.40MPa。由此可以看出，当使用482mm的盘型滚刀，刀圈高度上的磨耗量达30mm时，刀刃与岩石接触面已为2207.5mm2的矩形面，它对岩面的挤压力已减少为113MPa左右，此时刀具对岩石的切削转入以磨削为主，刀具的切削，作用大为降低，切削速度明显下降。2.4TBM在不同围岩下切削时，刀具寿命不

7、同从表1中可以看出，刀圈的消耗比率（即掘进百米时刀具消耗数）与岩石完整性成正比，即岩石的完整性越高，刀圈磨耗越快，例如Kv值越大（岩石越完整）、Jv越小（岩石单位体积的裂隙数少），则百米耗刀量就越大（而岩石抗压强度对刀具消耗的影响率相对要小一些）。表l刀具寿命表(4)序号掘进里程掘进长度/m掘进速度/mh-l岩石完整系数Kv节理体积数Jv岩石干燥抗压强度/Mpa刀具消耗数量／把刀具掘进消耗率把(100m)-1岩性1DK66+550-7802301.590.75121237331.742DK65+370-