盾构机的刀盘
盾构机械刀盘设计中的材料与优化分析
盾构机械刀盘设计中的材料与优化分析盾构机械刀盘是在地下工程中使用的重要工具，它承担着掘进、支护和排土的任务。
在盾构机械刀盘设计中，材料的选择和优化分析是关键的因素之一。
本文将对盾构机械刀盘设计中涉及的材料和优化分析进行详细探讨。
1. 材料选择在盾构机械刀盘的设计中，一般采用高强度、高耐磨性的材料来确保其在复杂地质环境下的可靠性和耐久性。
以下是在盾构机械刀盘设计中常用的材料：1.1 钢材：一般选择优质的耐磨钢，如国内的42CrMo等，具有高强度、高硬度和良好的耐磨性能。
1.2 合金材料：常用的合金材料有硬质合金和高速钢。
硬质合金具有高硬度、高耐磨性和较好的韧性，适用于切削和磨损较大的部位；高速钢具有高硬度、高切削性能和较好的韧性，适用于切削和磨损较小的部位。
1.3 复合材料：复合材料由两种或更多种材料组合而成，具有材料各自优点的综合性能。
可以根据具体的工程要求选择合适的复合材料，如钢与陶瓷的复合材料、钢与橡胶的复合材料等。
2. 材料优化分析在盾构机械刀盘的设计中，材料的选择之外，还需要进行优化分析，以确保刀盘在使用过程中的稳定性和效率。
以下是一些常用的材料优化分析方法：2.1 综合性能评价：通过评估材料的硬度、韧性、耐磨性、耐蚀性等综合性能，选择最适合的材料。
可以使用材料试验和数值模拟等方法进行综合性能评价。
2.2 材料强度分析：通过材料的强度参数（如抗拉强度、屈服强度等）和应力分析，评估材料在工作环境下的稳定性。
可以使用强度理论和有限元分析等方法进行材料强度分析。
2.3 优化设计：在材料选择和刀盘结构设计时，综合考虑材料的机械性能、梁端受力和变形等因素，以最小化刀盘的质量和尺寸，提高刀盘的效率和使用寿命。
同时，盾构机械刀盘的设计还要考虑与其他部件的匹配、制造和维修的方便性等因素。
只有在材料选择和优化分析的基础上，才能设计出安全可靠、高效耐用的盾构机械刀盘。
总结起来，盾构机械刀盘设计中的材料选择和优化分析是确保盾构机械刀盘能够在复杂地质环境下安全、高效工作的关键因素。
盾构换刀方案
1. 引言盾构机是一种用于隧道掘进的特殊工程机械设备。
在长时间运行过程中，盾构刀具会因为磨损和老化而需要更换，这对于盾构机的正常运行非常重要。
本文将介绍盾构换刀的一些方案，以提高工作效率和减少停机时间。
2. 盾构刀具的种类盾构刀具主要包括刀盘、刀片和刀架等组成部分。
根据工程需要，选择合适的刀具种类非常重要。
•刀盘：常见的刀盘种类有开式刀盘和封闭式刀盘。
开式刀盘通常用于非饱和软土层掘进，封闭式刀盘适用于饱和软土和固结土层掘进。
•刀片：根据地质条件和掘进需求，可选择硬质合金刀片、钢制刀片或钢丝刀片等。
•刀架：常见的刀架有单刀架和多刀架两种形式。
单刀架适用于一次性换刀，多刀架可同时装载多个刀片以减少换刀时间。
3. 换刀方案为了提高换刀效率和减少停机时间，以下是两种常见的换刀方案。
3.1 单刀架换刀方案使用单刀架的换刀方案比较简单，操作起来相对容易。
步骤如下：1.安全停机：在开始换刀前，确保盾构机已经停止运行，并采取相应的安全措施，如设置警示标识和隔离措施等。
2.卸下旧刀：使用专门的工具，将旧刀片和刀架从刀盘上卸下。
注意在操作过程中需要小心操作，以避免损坏刀盘。
3.清洁和检查：卸下旧刀后，对刀盘进行清洁和检查工作。
检查刀盘是否存在异常磨损或损坏情况，并及时修复或更换。
4.安装新刀：将新刀片和刀架安装到刀盘上，并确保安装牢固。
在安装过程中，要注意对刀片的正确安装方向和角度。
5.启动测试：完成换刀后，启动盾构机进行测试运行，确保新刀片的正常使用。
3.2 多刀架换刀方案多刀架换刀方案可以大大缩短停机时间，提高工作效率。
具体步骤如下：1.安全停机：同样，首先需要对盾构机进行安全停机并采取相应的安全措施。
2.卸下旧刀：使用专门的工具，将旧刀片逐个从刀盘上卸下，并将它们安置在刀架上。
这样可以保证刀片在换装过程中不受损坏。
3.清洁和检查：同样需要对刀盘进行清洁和检查工作，确保刀盘和刀架的状态良好。
4.安装新刀：逐个将新刀片和刀架安装到刀盘上，并确保安装稳固。
盾构机刀盘设计及优化方法研究
盾构机刀盘设计及优化方法研究盾构机是一种用于地下隧道工程的重要设备，而刀盘是盾构机的核心组成部分之一。
刀盘的设计及优化方法研究对于提高盾构机的施工效率和工程质量具有重要意义。
本文将围绕这一主题展开研究，探讨盾构机刀盘的设计原则、刀盘形式选择、刀具材料、刀具布置以及刀盘优化方法等内容。
首先，盾构机刀盘的设计需要考虑以下几个原则：结构简单合理、适应性强、安全可靠、易于维护和更换、满足工程要求等。
刀盘应具有良好的刀具布置和刀具形式选择，以实现盾构机在施工过程中的高效率、低能耗和高质量。
刀盘形式的选择是刀盘设计的重要环节。
根据不同的工程需求和地质条件，可选择单刀盘、双刀盘、双层刀盘等不同形式。
单刀盘适用于较软的地层，双刀盘适用于较硬的地层，而双层刀盘则适用于有大块破碎岩体的地层。
刀具材料的选择对刀盘设计至关重要。
刀具材料应具备高硬度、高韧性、高耐磨性和耐腐蚀性等特性。
常见的刀具材料有高硬度合金、碳化钨和人造单晶等。
此外，刀具材料的热处理也是刀盘设计中的一个重要环节，可以通过调整热处理工艺来提高刀具的硬度和耐磨性。
刀具布置是盾构机刀盘设计中的核心问题之一。
刀具的布置应满足刀具数量适当、刀具间隔均匀以及刀具的安装和更换方便等要求。
合理的刀具布置可以有效地提高切削效率和切削质量，减少能耗和刀具磨损。
刀盘优化方法是盾构机刀盘设计的关键内容。
盾构机刀盘的优化可以通过对刀具数量、刀具材料、刀具布局以及刀盘内部流场等进行综合分析和优化设计。
例如，可以通过流场分析和模拟技术来优化刀具布局，改善切削效果和流动性。
另外，还可以利用多目标优化方法对刀具数量、刀具材料和刀具布局等进行优化，以求在满足工程要求的前提下最大程度地提高施工效率和工程质量。
总之，盾构机刀盘设计及优化方法的研究对于提高盾构机的施工效率和工程质量非常重要。
刀盘设计应考虑刀盘的结构、刀具材料、刀具布置以及刀盘优化方法等因素，以满足工程要求，并在减少能耗和刀具磨损的前提下提高切削效率和切削质量。
盾构机刀盘刀片材料与结构性能研究
盾构机刀盘刀片材料与结构性能研究一、引言盾构机作为一种用于地下隧道建设的重要工程设备，其刀盘刀片是其关键部件之一。
刀盘刀片的材料与结构性能对盾构机的工作效率、稳定性以及安全性都具有重要影响。
因此，对盾构机刀盘刀片的材料与结构性能进行深入研究是十分有必要的。
二、刀盘刀片的材料研究1. 材料选择刀盘刀片的材料需要具备一定的硬度、强度和耐磨性。
目前常见的材料包括合金钢、高速钢、硬质合金等。
在选择材料时，需要综合考虑刀片的工作条件、切削力以及切削速度等因素，以确保刀片在长时间工作中具有较好的性能表现。
2. 材料处理为提高刀盘刀片的材料性能，可以采用多种材料处理技术，如热处理、表面处理等。
热处理可以通过调控材料的组织结构和硬度，提高刀片的耐磨性和强度；表面处理可以形成一层保护性涂层，增加刀片的磨损抗性。
三、刀盘刀片的结构性能研究1. 刀片形状刀片的形状对其切削效果和寿命有直接影响。
目前常见的刀片形状包括圆形、方形、三角形等。
研究各种形状刀片在不同地质条件下的切削效果，可以优化刀片结构设计，提高刀片的使用寿命和切削效率。
2. 刀片连接方式刀片的连接方式直接关系到刀盘的稳定性和刀片更换的便捷性。
目前常见的连接方式有机械连接和焊接连接。
研究不同连接方式在工作中的稳定性和可靠性，可以为刀盘刀片的结构设计提供技术支持。
3. 刀片与岩石的相互作用刀片在工作中与岩石之间存在摩擦、切削力等相互作用。
研究刀片与岩石的相互作用规律，可以为刀片的材料和结构性能提供优化方案，提高工作效率和切削质量。
四、实验与模拟方法1. 实验方法通过设计合理的实验方案，使用专门的实验设备，对刀盘刀片的材料和结构性能进行测试。
例如，可以利用材料测试设备测试刀片的硬度、强度等性能指标；利用磨损试验机对刀片的耐磨性进行评估等。
2. 模拟方法通过建立刀片与岩石相互作用的力学模型，使用计算机模拟软件进行仿真计算，预测刀片的工作性能。
例如，可以采用有限元分析方法对刀片在不同切削条件下的应力、变形等进行模拟计算，以评估刀片的结构稳定性。
盾构机的刀盘和刀具
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力 值 趋 于减 小 。 低 速 情 况下沥 青 混凝 土 路 面呈 粘 弹 会 迅速 加剧 。 在 因此高速 、 大切 深铣 刨路面 对铣 刨机 的刚 性状 态 ， 刀具前角对切屑 的挤压 以及 后角对 已加工路 面 性 和功率 提 出了较高的要求 。 的摩 擦使得刀尖 附近 的应 力值增大 ； 随着切 削速度 的增
于平 稳。 另外还 可以看 出在切 削过程 中刀尖前端 的沥青 ｏ 呈现为 负值 ； … ｏ 和 ｏ 由低逮 陧慢 随着速 度 ｏ
参考 文献
１陈志 刚， １ ］ 周里群， 黄霞春 ． 基于 ＡＮＳ ＹＳ的金属切削过程有 混凝 土路面主要 受到刀尖对 其的挤压 ， 从而 ｏ 盯 … 和 ［ 限元仿真 ． 岩机 械气动工具 ， ０ ７ １ ４ ．４ 凿 ２ ０ ，（）， ６５ ．
重要性 ： 刀盘 的选择 是否合 适直接 影响盾构掘进 机
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渣 土顺利通 过渣槽 ， 进入 土舱 ； 稳定功 能 ： 支撑 掌子面， 具有 稳定掌子 面的功 能 ； 搅拌功能 ： 对土舱 内的渣土进行搅拌 使渣 土具有一
综 上所 述 ， 对于 较小切 削深度 的路面铣 刨机 ， 削 切
大 ， 青混 凝土在 切削过 程 中脆性 越 来越 明显 ， 沥 产生 的 速 度最 好维持在 ２０ ０ ｍｍ／ ０ ｓ以下， 对于较 大的切 削深
切屑对前 刀面的挤压程 度 降低 ， 而使 得刀尖 附近 的应 度 ， 从 可以选 择较 大切削功率 的路面铣 刨机 以较大 的切削 力值 趋于减 小 ； 当速 度达 到一定 程度 的时候 ， 这个值 趋 速 度来完 成切削作用， 提高切削效率 。
盾构机刀盘修复
盾构机刀盘修复盾构机拆解后发现：1、刀盘外圆面磨损。
2、部分主切刀座及原有耐磨钢板已经完全磨耗。
3、刀盘空腔外露没有蒙板覆盖。
4、刀盘面网格耐磨带稀少。
5、原有耐磨板失效。
6、泡沫孔裸露没有保护。
7、原有边刮刀没有固定在刀座上，而是直接与刀盘主体筋板焊接。
8、刀盘里面筋板需要堆焊网格耐磨带。
分析主要原因为隧道穿越的地层主要为粘土沙，其中夹杂中粗砂、砾砂、卵石，砂性土摩擦阻力大，渗透性强，在盾构的推进挤压下水分很快排出，土体强度提高，故不仅盾构推进摩擦阻力大，而且开挖面土压力也较大，对刀盘的磨损会比较严重。
3.1 焊工管理3.1.1 所有焊工须持有有效证件，并且模拟现场焊接符合要求。
3.1.2 焊工精神饱满上岗作业，技能娴熟，操作手法全面。
3.1.3 焊前对焊工进行工艺交底，使焊工掌握具体焊接工艺，熟悉焊材和焊机性能，工艺确定后，焊工要严格执行。
3.1.4 开工前带焊工熟悉施工现场，进行详细的安全教育和管理，使焊工树立安全观念，进行安全操作。
3.2 焊材管理3.2.1焊材入库焊材有齐全的材质证明，并经检查确认合格后入库。
3.2.2 焊材发放焊材由专人发放，并做好发放记录，包括生产批号，施焊焊缝部位。
3.2.3耐磨焊丝检查固本耐磨焊丝只有在烘烤时拆包，拆包时核对焊丝牌号、规格、批号等。
拆包后检查焊丝是否生锈、药皮是否脱落，目测检验不合格的焊条不得进入烘箱，烘干后，对同一生产批号的焊丝进行检查，看药皮韧性及内部焊心是否生锈，如有不合格，这扩大检查，如仍有不合格报告技术负责人处理。
3.3环境管理3.3.1 手工电弧焊现场风速大于8m/s时，采取有效的防风措施后方可施焊。
3.3.2 雨雪天气或相对湿度大于90%时，采取有效防护措施后施焊。
3.3.3 现场需要搭设围挡（施工场地待定）3.3.4 刀盘面向上水平放置，安放支点应牢固可靠。
1、设计尺寸：主视图外径Ф6260mm，剖视图B-B显示：环带直径6230mm，刀盘厚度为450mm，耐磨环带宽度160 mm厚度50mm，耐磨块原有数量56块均匀分布。
盾构机刀盘材料选择与性能评价
盾构机刀盘材料选择与性能评价随着城市化进程的加速，地下隧道建设日益增多。
盾构机作为地铁、隧道等地下工程施工的主要设备，其刀盘材料的选择及性能评价对于施工质量和效率起着重要作用。
本文将对盾构机刀盘材料的选择和性能评价进行详细讨论。
一、盾构机刀盘材料的选择在盾构机刀盘材料的选择中，主要考虑以下几个因素：1. 强度和硬度盾构机刀盘在施工过程中需要承受巨大的压力和冲击，因此材料的强度和硬度是选择的重要指标。
通常情况下，碳钢和合金钢是常用的刀盘材料。
碳钢具有较高的韧性和可塑性，但相对硬度较低；合金钢则强度和硬度相对较高，但韧性较差。
选择刀盘材料时需要根据具体的工程环境、土壤条件和切削要求进行综合考虑。
2. 耐磨性和耐腐蚀性盾构机在地下施工过程中，刀盘与土壤、岩石不断摩擦，容易产生磨损。
因此，耐磨性是选择刀盘材料时需要考虑的重要因素之一。
钢材表面的硬化处理、涂层材料的选用以及刀具设计的优化都可以提高刀盘的耐磨性。
此外，如果施工环境中存在腐蚀物质，如酸碱等，刀盘材料还需要具有一定的耐腐蚀性能。
3. 刀具可更换性刀盘材料的选择还需要考虑刀具可更换性。
由于盾构机刀盘的使用寿命有限，因此需要设计可更换的刀具。
合理设计刀具安装与拆卸结构，选用便于更换的材料，可以提高盾构机的施工效率。
二、盾构机刀盘材料性能评价对于盾构机刀盘材料的性能评价主要是通过实际的使用情况和试验数据进行分析。
以下为常用的性能评价指标：1. 切削效率切削效率是衡量刀盘材料性能的重要指标。
切削效率高意味着材料切削能力强，刀具寿命长，从而可以提高施工效率和降低成本。
2. 磨损速度磨损速度是盾构机刀盘材料性能评价中的重要指标之一。
通过测量刀具的磨损量以及使用时间，可以评估刀具的耐磨性能。
磨损速度低的材料具有更长的使用寿命，减少了因频繁更换刀具而造成的时间和成本的浪费。
3. 断裂强度断裂强度是刀盘材料的基本性能之一。
通过试验测定材料的断裂强度，可以判断刀具是否具有足够的强度来承受施加在其上的压力和冲击力。
盾构机刀盘制造工艺流程
盾构机刀盘制造工艺流程盾构机问世至今已有近180年的历史，其始于英国，发展于日本、德国。
近30年来，通过对土压平衡式、泥水式盾构机中的关键技术，如盾构机的有效密封，确保开挖面的稳定、控制地表隆起及塌陷在规定范围之内，刀具的使用寿命以及在密封条件下的刀具更换，对一些恶劣地质如高水压条件的处理技术等方面的探索和研究解决，使盾构机有了很快的发展。
用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。
盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。
该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。
挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。
刀盘是盾构机的核心部件，刀盘上通常包括刀盘体、刀具和泡沫管路等，刀盘体由钢结构焊接而成，刀具有滚刀、切刀和刮刀等。
现有的刀盘仍然存在一些问题:1.由于刀盘体与岩层挤压、摩擦作用力较大，导致刀盘体磨损严重；2.在盾构的过程中，滚刀与刮板、刮刀同时接触岩层，导致刀盘体上的刮板、刮刀磨损快。
目前新的刀盘制造工艺，通过采用上述技术方案，叶片绕转动轴转动，通过旋转叶片，可方便实现叶片对气孔的开启与闭合。
所述转动轴回转支撑于刀盘面板上。
通过采用上述技术方案，叶片在转动过程中，叶片与转动轴之间落入杂质，其两者无法相对转动时，叶片仍然可以绕刀盘面板运动。
所述叶片远离转动轴的一端固定设置有推动杆，所述刀盘面板开设有滑动槽，所述推动杆伸出所述滑动槽。
通过采用上述技术方案，推动杆的端部抵触至掌子面上，同时推动杆沿滑动槽运动，叶片可以在不施加额外作用力的情况下，即可实现与气孔的开启或闭合。
通过采用上述技术方案，由于推动杆的运动路径为弧形，滑动槽为弧形的设计可以减少刀盘面板的开口率。
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盾构机的刀盘
北京固本科技有限公司胡建平
盾构机的刀盘是一种用于隧道暗挖施工,具有金属外壳,壳内装有整机及辅助设备,在钢壳体掩护下进行土体开挖、土渣排运、整机推进和管片安装等作业,而使隧道一次成形的机械。
盾构机按掘进方式分为人工、半机械和机械化形式。
目前机械化盾构发展较快,它由刀盘旋转切削地层,采用螺旋输送机或泥浆管运送渣土,在壳体内拼装预制管片,依靠液压千斤顶推进。
一、盾构机的刀盘
1.刀盘布置及磨损分析
1.1刀盘布置
刀盘的结构既要考虑刀盘的开挖性能,又要考虑渣土的流动性及掌子面的稳定性。
刀具的布置方式需要充分考虑工程地质情况。
本工程中盾构主要穿越砂性土,砂性土摩擦阻力大,渗透性强,在盾构的推进挤压下水分很快排出,土体强度提高,故不仅盾构推进摩擦阻力大,而且开挖面土压力也较大,对刀盘的磨损会比较严重。
另外,盾构土仓内刀具切削下来的砂土不易搅拌成均匀的塑流体,因此需要设置渣土改良设备。
鉴于上述工程实际情况,本工程盾构机采用了如图1所示的辐板式刀盘。
盾构刀盘由钢结构件焊接而成,目前其主流形式有面板式、辐条式及介于二者之间的幅板式。
辐板式刀盘兼有面板式和辐条式刀盘特点,由较宽的辐条和小块幅板组成,刀具分别布置在宽辐条的两侧和内部。
辐板式刀盘不仅使得土压平衡更易于控制,土砂流动顺畅,不易堵塞刀盘开口,且刀盘扭矩阻力小,保证有较好的掘进性能,又能节省设备投资,而且较大的面板有利于布置较多的刀具,同时较小的开口率也有利于保护本工程中容易坍塌的砂性土围岩的稳定。
1. 2盾构机磨损情况
盾构机到达重工街站后,立即对盾构机及刀盘进行清理、检查,发现盾构机刀盘外周磨损非常严重。
盾构刀盘本体外缘侧板磨损在纵向方向上呈现中间大、两头小近似V形,在
整个侧环面上形成一圈磨损凹槽,凹槽中部磨损平均为22 mm,两侧磨损平均为15 mm,如图 2 a 所示。
刀盘本体外周边缘在纵向方向上磨损约为160 mm,从外周边缘到刀盘中心径向方向上磨损约为180 mm,以致在刀盘外周边缘形成一个近似三角形的磨损区,如图 2 b 所示。
刀盘辐板外圈上的16把周边刮刀及其安装基座损坏,14把切刀及先行刀损坏,如图2 c 、d 所示。
刀盘中心及辐板中部的刀具磨损量相对较小从整体上看,刀盘及刀具呈现外周及边缘侧板磨损大,中心及圆周中部磨损小的特点。
二.盾构机的刀盘修复
盾构机的刀盘中心部位磨损较小,采用二氧化碳保护焊,用北京固本耐磨焊丝堆焊栅格状的耐磨层,厚度控制在5～10 mm。
焊接修复施工要点：
1 用砂纸、磨光机对焊接面进行打磨处理,并用丙酮对焊接面进行擦拭,确保接面的清洁从而保证焊接修复质量。
2 焊接前对固本焊丝、焊剂等材料进行烘干处理,并在焊接作业过程中,用保温对其进行保温,从而减少焊缝出现气孔的可能性。
3 埋弧堆焊前需进行较高温度的预热。
预热是防止焊缝硬脆和产生冷裂纹的一个很有效的措施。
实际堆焊过程中,应该保持一定的预热温度,预热温度一般控制在200～300 ℃。
4 在埋弧堆焊工艺参数控制方面,采取“小电流、低电压、薄层多次”的堆焊工艺方案。
5 在二氧化碳保护焊接过程中,维持喷嘴与焊件的距离6～12 mm,焊枪与工件焊缝成80°左右并保持不变,以便清楚方便地观察熔池。
6 二氧化碳保护焊接时,手腕需灵活,带动焊枪平移或转动,保持焊枪匀速前移,以获得满意的焊逢。
7 严格防止水或其它液体接触焊件,确保焊缝质量。
8 焊接过程及焊接后,需要对焊接部位进行外观检查,发现裂纹、气孔、夹渣等缺陷,应重新焊接。
9 耐磨层堆焊后,焊接件在空气中自然冷却;刀具及其基座焊接后,需要用保温棉布保温3 h以上,以防止裂纹产生及改善接头的组织和性能,提高刀具与刀盘本体的连接强度。
10 选派经验丰富、焊接技术高的电焊工进行连续作业。
三、总结
本次盾构机采用北京固本耐磨焊丝修复刀盘，制定合理的堆焊盾构机刀盘修复工艺，恢复盾构机刀盘原有外型尺寸，有效减少非正常磨损，保证后续正常的施工质量和进度。
投稿日期：2011年10月22日。