张总：盾构机刀具磨损的分析

盾构机刀具磨损地分析

中铁一局城轨公司张新义

1.概述：

土压平衡盾构机的刀盘根据地质条件的不同一般分软土和硬岩两种刀盘布置形式,软土区刀盘的布置形式是以齿刀为主辅以边缘滚刀和刮刀，硬岩刀盘的布置形式是以滚刀为主辅以刮刀。刀具是盾构机的一个非常重要的组成部分，对刀具地合理选择、使用、维护和更换，直接决定盾构掘进工程的质量、进度和工程成本。所以对盾构机刀具磨损情况地分析尤为必要。

2.刀具的结构和切削机理：

2．1刮刀

刮刀用来切削各种砂土、粘土等较松散的地层及全风化岩层等其它未固结的土体，刮刀上装有碳化钨刀刃，目的是为了更好的防止掘进过程中产生的磨损。

2．2齿刀

用来先行松散各种砂砾层、粘土层及全风化层，使其固结性能变差，然后由刮刀将其刮掉。

2．3滚刀

滚刀在推力的作用下贯入岩层，同时在开挖面岩石阻力的作用下随刀盘做同心圆滚动，岩石被挤压，形成挤压切槽，并在小半径范围内将挤压裂纹延伸到周围的岩石，最终在刀盘推力作用下挤压切槽两边的岩石呈片状破碎。滚刀于对各种强、中、微风化岩进行挤压破碎，滚刀安装在刀盘的刀座上，这些刀座也可以安装焊接在特殊支架上的齿刀。滚刀设计最大破岩能力为80Mpa，广州地铁三号线客大区间岩石的最大单轴抗压强度为62.3Mpa。

2．4边缘刮刀

用来校准盾构的开挖直径。

2．5超挖刀

用于盾构曲线施工时的超挖及盾构姿态的调整，由液压油缸操纵伸缩，其行程为0～100mm(各级分别为6260／6280／6300／6320／6340／6360)。

3.不同地质条件刀具的选择：

3．1刀盘布局

盾构机刀盘分为三个区域：中心区、正面区和边缘区。

正面区刮刀

边缘刮刀

双刃齿刀

双刃滚刀

单刃齿刀

超挖刀

3．1．1中心区

该区是刀盘布局的关键，既要考虑对砂土、粘土和较为破碎岩层的开挖和出土的适应性，又要兼顾到整个区间围岩的强度，因此该区采用齿刀和滚刀可以互换的方案，刀座设计成既可以安装齿刀，又可以安装滚刀，而且设计成背装式，即可以在刀盘后面对刀具进行更换。该区布置有6把双刃滚刀（或6把双刃齿刀），硬岩用滚刀，软土用齿刀。6把双刃滚刀的刀间距为180mm.。

3．1．2正面区

该区采用刮刀与双刃滚刀（或单刃齿刀）组合的布局方式，共设64把刮刀和8把双刃滚刀（或单刃齿刀），刮刀在刀盘的四个方向分两列布置，其宽度使得每把刀的切割轨迹有所重叠，可使开挖土体清除干净。滚刀安装高度超刮刀高度35mm，双刃滚刀和单刃齿刀可以互换，硬岩用滚刀，软土用齿刀。

3．1．3边缘区

该区设置了5把双刃滚刀、8把边缘刮刀和1把超挖刀。双刃滚刀用于对该区围岩的破坏，边缘刮刀用来校准洞径的尺寸，超挖刀则是用于盾构曲线施工和盾构姿态调整。

在开挖时，刀盘边缘的线速度较高，磨损快，故而配置了8把边缘刮刀、5把双刃滚刀，且滚刀也因为刀盘在旋转时相对于中心区和正面区而言，滚动范围大，因而刀具布置较密，刀间距较中心区刀间距小，刀间距为100mm。该5把滚刀一般不因地质情况的变化而更换，硬岩和软土都采用。

3．2软土区刀具布置

刮刀64把、双刃齿刀6把、单刃齿刀8把、双刃滚刀5把、边缘刮刀8把和超挖刀1把。

3．3硬岩区刀具布置

刮刀64把、双刃滚刀19把、边缘刮刀8把和超挖刀1把。

4.双刃滚刀刀具的磨损及原因：

4．1正常磨损

刀具的正常磨损是指刀圈的磨损量超过了规定值，磨损量可用专用的量具进行测量。

4．2刀圈偏磨

如果滚刀在掘进工作面不转动，由于刀圈和掘进工作面的相对运动就会形成刀圈的偏磨。由于中心区滚刀线速度较小，承受载荷较大，中心区滚刀容易出现此现象。

4．3刀圈断裂

推力过大或刀圈在比较硬的岩石上滚动就有可能使刀圈断裂，若一个刀圈有两处断裂，断裂的部分刀圈就有可能掉到土舱。边缘滚刀和正面区滚刀经常有此现象。

4．4表面缺陷

如果有金属或其它坚硬物损坏了刀圈的局部表面，刀圈局部表面就会形成表面缺陷。

4．5环幅式磨损

如果刀圈的工作面和掘进工作面充分接触摩擦，就会形成环幅式磨损。

4．6刀圈挡圈磨损或脱落

挡圈是由两个半圆的钢环安装在滚刀轴的卡槽里焊接成一个完整的圆环，其作用是防止刀圈从滚刀轴上脱落，一旦刀圈挡圈脱落或焊接处磨损严重，就应该更换刀具。

4．7滚刀漏油

由于密封件的损坏，就可能使密封油泄漏，从而导致油封座和轮毂的损坏。

4．8刀体损坏

整个刀体包括轴承及轴都已严重磨损，没有可重新利用的部件。这是由于刀圈偏磨后没有及时得到检查更换所致。

4．9轮毂磨损

刀盘和渣土不间断的摩擦，使得滚刀轮毂也发生严重磨损

4．10油封座损坏

由于漏油使得油封座损坏

4．11轮毂或油封座损坏

刀圈如果在金属物（掉了的刀圈或螺帽）上滚动，轮毂或油封座有可能被卡住，就会妨碍刀圈绕着滚刀中心轴自由转动。

4．12滚刀的多边形磨损

在掘进时滚刀时转时不转，或者在某个点转动时间长在其它点转动时间短，就会产生这样的磨损。

5．齿刀、正面区刮刀和边缘区刮刀的磨损及原因

5．1齿刀磨损

正常磨损：齿刀切削土层和砂砾层所形成的磨损。

异常磨损：由于换刀不及时在硬岩区的磨损。

5．2正面区刮刀磨损

正常磨损：刮刀刮削土层、砂砾层和被滚刀挤碎的岩层时所形成的磨损。

异常磨损：由于滚刀刀圈掉落，在刀盘同一圆周上的刮刀就直接承受掘进工作面的载荷，刮刀和掘进工作面的相对摩擦，就导致刮刀严重偏磨。

5．3边缘区刮刀

正常磨损：刮削土层、砂砾层和边缘滚刀挤压后的岩层时所形成的磨损。

异常磨损：由于边缘滚刀刀圈掉落或者边缘滚刀磨损量严重超限，边缘滚刀开挖掘进工作面的径向尺寸小于边缘刮刀的径向尺寸，边缘刮刀被迫直接挤压在掘进工作面上运动，导致刀具磨损。

6．预防刀具异常磨损的措施

6．1择择合理的掘进参数

掘进参数包括掘进推力、刀盘转速、扭矩、推进速度、切削量等，影响刀具磨损的最直接参数是掘进推力，推力的大小直接决定了刀具所承受的载荷。推力过大，虽然短期内掘进速度很快，但长时间刀盘刀具所承受的载荷也比较大，过大的载荷会使滚刀轴承受挤压产生变形，继而影响滚刀的自转最终造成滚刀刀圈的偏磨或断裂。一般在<8>岩石中风化带<9>岩石微风化带地层最大的推力不要超过1000ton。

刀盘转速也是影响刀具磨损的另一个主要因素，过大的刀盘转速在硬岩地层会造成盾构机振