盾构机刀具修复技术

盾构机刀具修复技术

采用盾构法修建地铁隧道，施工进度较快，建设质量好，而且施工过程中不需要降水，可以节省大笔费用。但由于盾构机及配套设备、设施的采购和制造费用很高，而且施工过程中所用多种消耗材料费用也不低。所以，采用盾构法的施工成本与传统施工方法相比，并无优势可言。在保证工程质量的前提下，如何有效地降低施工成本，成为企业在市场竞争中面临的一个紧迫问题。对磨损周边刀进行修复利用，就是在降低施工成本方面进行的一次有益尝试。

1盾构机刀具磨损情况

需要修复的这批磨损周边刀是在完成520环（约630m）隧道掘进后更换下来的。刀具的2/5已经被磨损，其情况见图1，刀具磨损部分是正对被切削土体的迎土面部分。

刀具迎土面部分，在盾构刀盘旋转时承受很大的摩擦作用力，摩擦力的大小与千斤顶的推力成正比；另外，周边刀安装于刀盘的最外边，刀盘旋转时该位置的线速度也最大；再有，由于处于边缘位置，离泡沫出口的位置较远，在盾构机掘进过程中该位置的刀具无法得到良好的润滑。以上多种因素导致了该部分的磨损最严重。

2盾构机刀具修复工艺确定

从图1中可以看到，磨损的周边刀仅剩下一个安装孔是完好的。

修复工作的主要任务，一是完成另外两个安装孔的修复；二是完成切削刃和表面耐磨层的修复。据此确定总的思路是：铸造一块与原刀具本体成分相同、形状与缺损部分一样的钢块，与残刀焊接在一起；然后，在修复的刀具上堆焊切削刃和耐磨层；再以原来的安装孔为基准，根据图纸的尺寸要求加工另外两个安装孔；最后，对刀具与刀盘的安装表面进行一次精加工。

2.1修复体材料的选择及制造

为保证修复刀具的工作性能不降低和便于与残体进行焊接，决定采用与原刀具本体材质相同的材料对其进行修复。通过实验室化验分析，确定原刀具本体材料为退火状态的20Mn2。根据原图纸和磨损刀具实物，设计加工了2个修复体模具（左右各1个）；然后，利用小冶炼炉进行修复体的翻砂铸造，并对工件外表面进行喷丸处理。

2.2修复体与刀具残体的焊接

由于刀体较厚，断面为三角形，且整个刀具的外形不规整，要将修复体与残刀直接焊接难度很大。为此，设计了专用的夹具，在焊接时将两者精确定位，以控制焊接过程中的变形。为保证焊接质量，焊接前须将残刀进行喷丸处理；为保证修复后刀体具有足够的强度，两焊接件之间采用了大坡口焊接。

2.3刀刃及耐磨焊丝的选择

周边刀切削列采用的堆焊材料，是该类刀具制造的关键核心技术。耐磨焊丝的性能直接影响刀具的使用寿命，而国内还没有采用堆焊切削刃的工艺和技术。北京地区的地层主要是以沙卵石地层为主，要求

所采用的盾构周边刀具有较好的抗冲击磨损能力和抗磨料磨损能力，同时应具有很好的韧性。刀具的抗磨损性能要求堆焊层金属表面应具有很高的硬度，而硬度提高的同时材料的韧性会随着降低。当堆焊金属的硬度提高，其耐磨性增加，但同时其抗冲击韧性随着显著降低。为了解决这一问题，通过走访凋研，选择采用北京固本KB600耐磨焊丝进行耐磨层的堆焊。该耐磨焊丝为铬钼钨系堆焊焊丝，地铁盾构施工刀具刃口堆焊专用。KB600基体加入镍合金，高耐磨耐高温（可达950℃）而且裂纹倾向小，韧性，具有良好的抗冲击性及耐磨性。焊缝表面成型美观，无渣，单层硬度HRC≥60。这样刀具既具有较高的表面硬度，又有较好的内部韧性，克服了普通堆焊焊条的缺点，可以较好地满足北京的沙卵石地层工况对刀具的性能要求。

KB600耐磨焊丝由北京固本科技有限公司自主研制，北京固本是国内唯一一家专业研发耐磨堆焊金属材料的高新技术企业，公司是国家级大学科技园企业，并获政府相关部门专项资助。

3盾构机修复刀具的安装

本次修复作业由于受时间的限制，对焊接的修复体表面，只堆焊了KB600耐磨层。盾构机的“迎土面”部分，需承受很大的摩擦力，在原装刀具的背面，都镶有硬质合金“球齿”，硬质合金的表面硬度可达HRC87～89，具有极高的耐磨性。安装修复好的刀具时，应将其残体部分凋换到“迎土面”的位置，即将刀盘大臂左右位的刀具互换位置。

4结束语

随着北京地铁建设步伐的加快，相信会有更多的盾构机投入使用，对刀具的需求会显著增加。北京固本科技有限公司与盾构有关厂家合作开发的盾构刀具已成功在北京地铁工程使用，大大超过进口盾构刀具使用寿命。此外，北京固本耐磨焊丝还在成都、南京、深圳、沈阳地铁盾构工程中得到应用。