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盾构掘进机刀具选择使用与维护管理

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  发展刀具是一个很广泛的概念,在石器时代人们就尝试着利用石刀、石斧为人类服务。在现代人们的日常生活当中,人们更是广泛的利用着各种各样的刀具,在机械加工业、木工业、采矿业等工业领域,刀具都得到了很好的利用为生产发展服务。特别是在我们的隧道工程掘进施工当中,随着盾构掘进机施工技术的发展,更是为刀具的应用和发展带来了独特的发展空间,不论在什么地层条件下施工,掘进速度的快慢,施工成本的高低,都直接与刀具的选择是否得当和其性能好坏有着很大的关系和影响。因此,世界各国都非常重视盾构掘进机刀具的研究和应用,特别是在盾构掘进机施工中对各种岩层的开挖所需的刀具,各国都做了大量的研究工作,美国、日本、德国等一些工业发达国家从刀具的切削机理、切削理论计算、破岩的方式、模拟试验等方面都进行了长期的深入研究,取得了较多的成果和经验,并在不断的应用中改进和完善,形成了适用于多种地层的盾构掘进机刀具系列和品种规格。我国对盾构掘进机刀具的开发研究始于二十世纪六十年代,经过几十年的努力和发展,也取得了较大的进步和发展,特别是从上世纪九十年代以来,我国的经济建设进入了一个高速发展的时期,整体工程技术水平有了较大提高,国内的地下空间工程、隧道工程建设大量增加,国内的盾构掘进机施工技术水平大大提升,盾构掘进机施工任务大量增加,已成为盾构掘进机的应用大国,对盾构掘进机刀具的需求量不断增加,掘进机刀具的研究和发展也取得了长足的进步,已研制出多品种、多规格、多功能且能满足于多种地层施工需要的盾构掘进机刀具,有的刀具已达到了国际同类刀具的先进水平,国产刀具正逐步替代进口刀具,迎来一个盾构掘进机刀具大发展的时代。<2>盾构掘进机刀具的分类和工作机理2、1地层的特点我们知道盾构掘进机刀具(以下简称刀具)是盾构掘进机施工中实施掘进的的关键部件,直接挖掘掌子面,所有的掘进施工最终都要靠刀具来完成,因此,刀具的选用是否适用于该项目地层的掘进和刀具本身质量的好坏是影响施工进度的关键因素之一。施工中各工程遇到的地层条件是千变万化的,但不管其怎样变化,其主要地质成份不外乎土层和岩层两大类或两类地层的不同组合形式。就土层而言,是以各种沙土、粘土、胶泥等形式或者以它们的不同组合呈现在工作面,它们的硬度都比较低,强度特性较弱,比较容易破碎,一般抗压强度在30MPa以下,用刮削类刀具即可完成掘进施工。就岩层而言,是岩石以各种不同的强度和固体形状或以它们的不同组合形式呈现在工作面,它们的强度特性较高,(常以单轴抗压强度来表达)抗压强度一般在30MPa以上,必须用滚切刀具或用滚刀和切刀的组合来完成掘进施工。常见的岩石单轴抗压强度参考值如下:岩石种类抗压强度(MPa)岩石种类抗压强度(MPa)粗玄岩196~343石英片岩69~178辉长岩177~294云母片岩59~127闪长岩177~294凝灰岩59~167玄武岩147~294千枚岩49~196石英岩147~294片麻岩49~196花岗岩98~245石灰岩29~245流纹斑岩98~245砂岩19.6~196大理岩98~245泥灰岩12~98板岩98~196页岩9.8~98白云岩78~245煤4.9~49因而在不同的地层进行掘进施工所适用的刀具是不同的,但所有的刀具也都是围绕怎样切割各种岩层和土层来进行施工的。刀具的研发也是如此,经世界各国多年的研究和施工实践,目前盾构掘进机刀具主要分成刮削类和滚切类两大类:2.2刮削类刀具及其切削机理(1)刮削类刀具特点刮削类刀具一般是通过相对滑动来切割软岩和土层的,它由刀体和刀刃两部份组成,一般用于软土层和软岩地层的开挖,有时也作为辅助刀具装在滚刀的后面使用。刀体对刀刃起支持作用,并且刀体还起到在刀盘上的安装连接作用,要求具有一定的强度和刚度。刀刃部分通常直接与工作面接触起切割岩土层的作用。俗话说好刀看刃,为了延长刀具使用寿命,刀刃部分通常采取特殊工艺处理,常堆焊或喷涂碳化钨等耐磨硬质材料或镶嵌(通过钎焊或热装)硬质合金刀片。以保证刀刃部分的锋利和耐磨性,满足切割软岩和土层的需要。合金刀片的形状和尺寸较多,根据不同的刀盘安装要求和地层情况而定,要求其具有一定的耐磨性、抗冲击韧性及与刀体的可焊性(焊接结合时),刀体则根据需要也可作成各种形状和尺寸,所以,刮削刀具的种类繁多,目前盾构掘进机上常用的刮削类刀具主要有边刮刀、贝克刀、切刀、齿刀、先行刀等(如下图所示),其切削的方式和切削机理是一样的,为了叙述方便,本文通称刮削类刀具。(2)刮削类刀具的切削机理刮削刀具一般是通过螺栓连接或焊接在刀盘上的,在刀盘的连续旋转带动和刀盘油缸推力作用下,刮削刀具的刀刃部分不断的嵌入(切割)掌子面,并对软岩土层掌子面(或滚刀破碎后的渣土)通过刮刀前刀面向上和向两侧连续进行挤压开出切割槽使掌子面剥落,剥落的的渣土沿刮刀的前刀面向两侧滑落进入清渣槽,这样使刮刀既具有切削的功能也具有装载的功能。因此刮削刀具是一种以切割力和挤压力来破碎软岩土层的刀具,适用于表土层及软岩层(一般小于40MPa)的掘进施工。在硬岩中也常有使用刮刀的时候,但此时的安装要低于盘形滚刀一定的高度,主要是用来刮削滚刀切割下来的岩渣,对刀盘起?;ぷ饔?,对岩石的破碎主要还是靠滚刀来完成的,只是为了把被滚刀破碎后的岩渣及时刮入清渣槽,以防渣土积聚磨损刀盘,如果只用刮刀则会迅速将刮刀磨损。2.3滚切类刀具及其切削机理(1)滚切类刀具的特点滚切类刀具是通过刀具的滚动来切割岩层的,所以人们又常常习惯称为滚刀。它一般是通过刀框座和螺栓连接在刀盘上的,在工作过程中,它不仅要在刀盘的带动下随刀盘进行公转,同时还要围绕自身刀轴进行自转,通过不断的连续滚动对岩层进行切入、挤压和摩擦,使掌子面上岩层逐渐剥落,完成对岩层的切割破碎。它是由多个零部件经加工后装配而成的,不仅要求硬度高、耐磨性好,而且还要求密封性能好,承载能力大,主要用于岩石层的破碎。根据刀体和刀刃的形状不同,滚刀可分为:锥形滚刀(又分楔齿滚刀和球齿滚刀)、盘形滚刀(又分钢刀圈滚刀和球齿刀圈滚刀)。盾构掘进机刀盘上现在一般只安装盘形滚刀,根据其在刀盘上安装位置的不同,滚刀又分为:正滚刀、中心滚刀、边滚刀等。各类型滚刀见下图所示。(2)滚切刀具切削机理1)锥形楔齿滚刀的切削机理锥形楔齿滚刀主要以压碎和剪切来破碎岩石。在掘进过程中,随着滚刀体的转动,各齿相继作用于岩石.在各相邻齿与岩层的交替接触中,滚刀重心与岩面的距离发生周期性的变化,即滚刀对岩面的位能发生了周期性的变化,由此对岩石产生了冲击和振动作用,有助于加速对岩石的破碎。楔齿滚刀的锥体的外锥开有若干齿列,刀齿一般与刀体做成一体(铸齿或焊齿),根据掘进条件的不同,刀齿的齿尖角和齿高应作相应变化。原则上掘进地层越软,刀齿应越尖越长;反之,则应采用短粗结构的齿型。刀体材料国外多用低碳合金钢,施行渗碳淬火处理。国内多用中碳合金钢,进行调质处理,为了提高牙齿的耐磨性能,楔状刀齿上堆焊有碳化钨等硬质耐磨材料或直接焊上钢结硬质合金刀齿。楔齿滚刀的使用范围一般用于掘进软岩到中硬的岩层(岩层抗压强度小于80MPa)。大多在小刀盘上布置采用。2)锥形球齿滚刀的切削机理锥形球齿滚刀的刀齿是镶嵌于锥形刀体表层的硬质合金球柱(齿柱),这种齿柱是由粉末冶金制成,两种主要的材料是碳化钨和钴,钴是起粘结剂的作用,并控制压入齿柱的物理性能(抗磨和抗弯)?;固砑右恍┢渌奈⒘拷鹗?。压入齿柱的抗压强度根据不同岩层的使用条件约为2600-3100MPa,硬度一般为HRA80-90,齿形一端以半球面者居多,所以常称球齿,也有锥形等其它形状的(见图2.2)。由于这些特点,球齿滚刀适用于钻进硬岩地层,要求钻压值也比楔齿滚刀大得多。球齿滚刀是靠压碎和研磨作用来进行破碎岩石的。其基本结构及布齿原则、滚刀体材质均与楔齿滚刀相似,不同之点主要在于齿形和其材质的不同。压入齿柱的形状和伸出刀体的高度可根据岩层条件的不同而有所不同。3)盘形滚刀的切削机理由于盘形滚刀本身的滚动,其磨损速度比刮刀要慢的多。加之刀刃较窄,在刀盘的相同推力下作用于岩石上的压强要大的多,因而能破碎的岩石也比刮刀要硬得多,多数的沉积岩只用盘形滚刀就能充分破碎。现阶段盘形滚刀主要用在盾构掘进机的刀盘上,故长期以来,盘形滚刀几乎和盾构掘进机刀具成为同义语。小型的盘形滚刀(≤12〞)通常是把刀刃和刀体做成一体,一般是多刃的,有的刀刃上还镶嵌硬质合金;大规格的盘形滚刀(一般为14〞—19〞)刀体和刀刃通常是分离的,可以拆装以便于刀刃磨损后更换。人们习惯上又常把刀刃称为刀圈,可更换的刀圈可以是钢刀圈,也可以是在钢刀圈上镶嵌硬质合金。这要根据地层选择,镶嵌硬质合金的刀圈(也常称为球齿刀圈)更适合特硬岩层的掘进施工。盘形滚刀的切削原理是当刀盘在纵向油缸的巨大推力作用下,使安装在刀盘上的盘形滚刀压入岩石;同时刀盘在旋转装置的驱动下给滚刀施加滚动力矩带动滚刀绕刀盘中心轴公转,在滚刀公转的同时,由于掌子面对滚刀的摩察力作用,使滚刀还绕各自的刀轴自转,这样就使得滚刀在岩面上连续滚压。刀盘施加给刀圈的推力和滚动力矩的结果是:推力使滚刀刀圈压入岩体,滚动力矩使滚刀刀圈滚压(剪切)岩体。通过滚刀刀圈对岩体的连续挤压和剪切,使安装在不同刀位的滚刀在岩面上滚切出一系列的同心园槽。(见下图)滚刀滚压岩石的破碎效果随着推力的不同而不同。岩石的破碎一般分为三个阶段:研磨、疲劳破碎和有效体积破碎。研磨:当滚刀受到的推力很小时,刀圈对岩体的挤压力远小于岩体的极限强度,岩体破碎是在摩擦力作用下引起的表面磨损。破碎的颗粒小,刀圈磨损严重,对岩体的破碎速度慢。疲劳破碎:当滚刀受到的推力逐渐增大,但刀圈对岩体的挤压力仍小于岩体的极限强度,通过刀圈对岩体的多次碾压下,岩层沿滚压方向会分布一定的压应力,岩体会沿压力线产生疲劳裂纹,进而发生破碎。有效体积破碎:当滚刀受到的推力足够大,刀圈对岩体的挤压力大于岩体的极限强度时,刀刃贯入岩层使岩体产生内应力,迫使岩体产生跳跃式的裂纹直接破碎,破碎块度增大,破碎速度加快,并随刀盘轴压的增加而线性增加(但受其它条件的制约,轴压不能无限增大)。岩面被盘形滚刀挤压破裂而形成多道同心圆沟槽。随着沟槽深度的增加,岩体表面裂纹加深扩大,相邻同心圆沟槽间的岩石成片崩落.完成盘形滚刀的破岩过程。该工况下破岩速度快刀圈磨损小,岩石破碎过程所消耗的比能也小。实际掘进过程中,破岩效果和刀盘推力、滚刀刀圈间距、刀圈刃口型状、岩层特性等有关,很难完全达到最佳的体积破碎,往往是各个阶段都有。此外,在掘进过程中,盘形滚刀在刀盘上的运动除绕刀盘中心的切向圆周公转、滚刀自转和沿掘进方向的切深挤压运动外,还有沿刀盘径向的滑移运动,且在同样转速下半径越小滑移越大,因此滚刀正常情况下磨损最严重的部位是滚刀靠近刀盘中心的内侧刀圈,滚刀受到岩层的侧滑力的方向是沿半径背离刀盘轴心方向。二、盾构掘进机刀具的选用对于不同地层的掘进施工,应采用不同型式的刀具。在确定掘进刀具形式之前必须对施工地层进行勘察取样与试验,制定出详细的地质报告,一般地层都是以组合地层条件出现的,海瑞克常用刀具安装示意图也有单一地层的情况,然后根据地层的分布特性和岩石抗压强度选择刀具。<1>选择刀具一般应遵循以下原则1、1根据经济性选择刀具(1)掘进速度快、效率高;(2)单位进尺刀具消耗费用少;(3)尽可能适应多种地层掘进要求;种类少,备件费用低:(4)掘进单位进尺动力消耗少,综合费用低;1、2根据地层条件选择刀具对于软土层来讲是比较好选择的,只要耐磨性好、排渣好的刮削刀具一般就能满足需要;对于岩石地层,则主要考虑岩石的如下特性(1)岩石的强度岩石的单轴抗压强度是影响掘进效率的关键因素之一。一般盾构掘进机最适合掘进抗压强度为40-150MPa的岩层。刀具的费用部分地取决于岩石的强度。目前计算刀具费用最常用的标准是岩石的抗压强度。在较软岩石中,抗压强度是一种较可靠的衡量标准。但在中硬岩石中,岩石的抗压强度与实际可破性往往不成正比。这是由于某些中等抗压强度的岩石有弹性或韧性。在掘进过程中,它对掘进的阻力大于岩石抗压强度所表示的阻力。弹性表现为岩石的韧性,当刀具压入时,岩石变形而不碎成岩渣。在这类岩石中掘进,其困难程度大于抗压强度虽然大但其脆而易碎的岩石。世界各地都在研究,寻求能表示岩石可破性的可靠指标。但地层往往是复杂的,刀具的选择一定要考虑其复杂性。(2)岩石的耐磨性选择刀具还必须考虑的第二个因素是岩石的耐磨性。岩石的硬度和耐磨性越高,刀具消耗和施工成本就越高,造成?;坏洞问黾?,影响掘进速度,在相对不耐磨的岩石中即使抗压强度很高,采用盘形滚刀或楔齿滚刀往往效果很好。反之在耐磨性大、抗压强度小的岩石中往往要用硬合金球齿滚刀,以免频繁换刀造成停工。(3)岩体的结构面发育程度岩体的结构面发育程度即岩体裂隙化程度与掘进效率有很大的关系??寡骨慷?、硬度、耐磨性相同或相近的岩体,若结构面发育程度不同,掘进机的掘进速度的差异明显。由于各种刀具的结构型式、破岩机理和破岩部位地质的不同,每一种刀具只能适应于一定的掘进地层。表3.1是美国瑞德公司推荐的几种刀具的使用范围。(4)复合地层刀具的选择对于地层条件不一致的复合地层,如沙卵石地层,土层、胶泥层以及岩石层等层叠分布的地层,施工和选择刀具都是有一定困难的,这时一定要综合考虑各种地质特性,选用部分既要能适合土层、胶泥层掘进的刮刀,也要选用一部分能对付岩石层的滚刀,并交错布置刀具,互相能够补偿,充分发挥其应有的潜能。在刀具制造时,也要采取相应的措施。如在刮刀制造时充分考虑其耐磨性,在刀具的结构形式上既要有利于刮削,也要有利于帮助滚刀清理岩渣和胶泥团的刮刀;在滚刀制造时,既要考虑破岩的需要,有足够的强度和硬度,又要考虑沙卵石地层对滚刀的磨损,在刀体外表面和刀座外表面堆焊耐磨材料或其它耐磨措施,防止过早磨损失效,同时还要控制滚刀的启动扭矩不要过大,以免滚刀在通过沙卵石层和土层时不能自转,产生弦磨破坏失效。<2>刀具的结构特点与设计制造刮削刀具和滚切刀具是盾构掘进机最常用的两大类刀具,现分别简单介绍一下其结构特点和设计制造过程。2、1刮刀的性能结构特点及设计制造刮刀的主要性能是刮削较软土沙层和岩渣,其结构形状可以根据地层条件设计成各式各样,但都是由刀座、刀体和刀刃三部分组成的,刀座是与刀盘连接的部分,与刀盘的连接有焊接的如先行刀、也有螺栓连接的如边刮刀和铰接的如正面切刀,替换滚刀部位的正齿刀或切刀与滚刀的安装方式相同。刀座有的是与刀体制成一体的,有的是与刀体焊接的。与刀体焊接的刀座材料一般是低碳低合金钢。刀体对硬质合金刀刃起支撑和?;ぷ饔?,要具有足够的强度和耐磨性,通常选用中碳合金钢或空淬钢,使硬度达到HRC40以上,也常常采用表面硬化技术或局部堆焊耐磨层;刮刀刃是刮刀刮削岩土和?;さ短宀槐荒ニ鸬墓丶课?,通常是用硬质合金做成的,其硬度一般在HRA83-88之间,硬质合金的牌号及其大小和形状根据安装部位、预期作用、和地层进行设计。刀刃与刀体的的连接是关键的,具体工艺有钎焊、镶嵌和镶焊,连接强度要求大于250MPa2、2滚刀的性能结构特点及设计制造(1)盘形滚刀的性能结构特点我们知道盘形滚刀的主要性能是用来破碎岩石的,必须具有良好的滚压破岩和剪切的功能,适应各种地层和岩石条件。盘形滚刀的刀圈是易损件,因其消耗量大,价格也较贵,应能在工作现场进行更换,以提高其使用价值,刀圈的断面几何形状根据岩层条件变化可有多种选择。滚刀的内部零件与其切削刀圈同样重要,性能优良的轴承和轴系零件以及性能可靠的密封、润滑,可以提高滚刀的承载能力,延长使用寿命。较好的刀座结构便于滚刀在刀盘上安装拆卸,安全可靠。所有这些都是设计时应当加以考虑的。盘形滚刀有大小各种规格系列,现在常用的一般为17〞系列滚刀,现以17″盘形滚刀为例将其结构性能特点及设计制造过程说明如下:1)17″盘形滚刀技术性能指标:滚刀直径17”(432mm)滚刀承载能力30吨/把滚刀适应地层条件30—200MPa滚刀启动扭距30—70N.m2)17″盘形滚刀结构特点:滚刀分为正滚刀、边滚刀、中心滚刀等。根据地质条件的差别,有单刀圈滚刀和多刀圈滚刀。其内部结构如上图所示。它们主要由刀圈、刀体、刀轴、圆锥滚子轴承、金属浮动密封环、刀盖(座)及联接螺栓等件组成。目前不论其规格大小和安装部位的不同,盘形滚刀的内部结构均采用背对背安装的圆锥滚子轴承组合、油浴润滑、金属浮动密封环密封形式。根据安装方式的不同,滚刀刀盖和刀轴轴头有不同形式。根据地层和刀具种类的不同,刀圈的厚度从57.2mm—80mm不等,刀圈的内孔尺寸各公司也有差别,刀圈刀刃也有不同形状。(2)盘形滚刀主要件的设计制造在满足滚刀安装正常、选用适合地层的条件下,影响滚刀使用寿命的四大关键是刀圈、刀体、轴承和密封的制造质量及其装配质量。现将这几种零件的制造和装配过程介绍如下:1)刀圈的制造滚刀刀圈是影响滚刀使用寿命的关键,其制造质量不好会因过早磨损,断裂而降低整刀寿命。刀圈直径采用目前国内外流行的17吋(432mm)尺寸。刀圈的断面形状对破岩影响较大,目前刀圈刃部的轮廓线已趋于流线型,通常刀圈边缘半径R=3-4mm。滚刀刀圈材料有两大类:即整体合金钢刀圈和镶硬质合金齿的刀圈。(见下图)整体合金钢刀圈材料主要以热作模具钢为主,硬度一般在HRC54-58之间,它的特点是可以承受较大的冲击载荷,并具有较好的耐磨性能,刀具制造费用相对较低,适用于中硬岩层条件破岩做业。合金球齿刀圈是在合金钢刀圈基体上镶嵌硬质合金柱齿,硬质合金柱齿头部呈球状,硬质合金硬度为HRA85-88。一般情况下,抗压强度超过150Mpa的坚硬岩层采用球齿刀圈进行施工,能很好地解决刀圈硬度(主要是合金球齿硬度)和韧性(刀圈基体的韧性)的矛盾,因为合金钢刀圈在提高硬度增加其耐磨性的同时会增加脆性、降低韧性而使其强度降低,容易使刀圈崩裂,球齿刀圈能很好的解决这个问题,其寿命是钢刀圈的2-5倍,比较适合安装在边滚刀和超挖刀等耐磨性要求较高的刀位,但制造成本较高。根据刀圈的工作条件,刀圈材料应满足以下性能:a)高的屈服强度,减少刀刃端在高应力下压溃变形;b)良好的冲击韧性,提高材料裂纹扩展功,防止刀圈断裂;c)足够高的硬度,增加耐磨性,减少刀圈磨损;d)良好的抗回火性能,提高材料的热稳定性,保证刀圈在热装和滚压岩体过程中不降低硬度。e)良好的热加工和冷加工的工艺性能,材料成本低,制造方便,提高产品合格率。2)滚刀密封特性及制造:密封可保存轴承润滑剂并防止外来物进入,对保证轴承正常工作和延长工作寿命是十分重要的。金属浮动密封环属于机械端面密封的一种,非常适用于滚刀作业的复杂多变的地层工况条件(使用环境恶劣,且有一定的外部介质压力,其载荷具有低速重载和冲击性的特征)具有一定的承压能力以及良好的密封性能和较长的寿命。这种密封由两个啮合的经过硬化处理的合金钢或高铬铸铁密封环和两个富有弹性的复曲面橡胶圈组成。用复曲面橡胶圈调整密封环位置,因它有浮动能力,可以补偿装配端面间隙或防止偏斜。复曲面密封圈使金属密封环端面压力恒定。当空间有限而采用短滚刀时,可采用改进型浮动端面密封。(此时采用一个复曲面橡胶圈,一个金属密封环,一个精加工过的滚刀零件端面)。金属密封环是密封件中的主要零件,其结构及质量的好坏起决定性作用。金属密封环采用高硬度的耐磨、高铬钼的铸铁材料,硬度HRC60-65,工作表面粗糙度Ra≤0.1um,表面平面度≤0.0015mm。这种金属密封环的特点如下:a)采用3.5度导油斜面及小曲率半径球面环与平面环结构,有利于形成油膜,以保证轴承润滑油不泄漏及阻止泥土进入轴承腔;b)采用高光洁度及高硬度工作面,使之贴合良好,减少了摩擦阻力,提高密封性能;c)加厚了密封环的尺寸,提高了结构强度;d)浮动密封环采用的0型橡胶圈,是按刀具工况要求,研制的专用橡胶件(P118及P229胶料),使用效果良好;与普通橡胶相比,具有可压缩性大及回弹性好等特点。即使在外界岩土的冲击中,也始终对金属密封环施加压力,让金属环工作面始终接触,保证轴承润滑油不泄漏并阻止泥土进入轴承腔,起到密封效果。3)滚刀轴承结构特性滚刀轴承大都采用美国铁姆肯公司生产的圆锥滚子轴承作为滚刀的轴承,这种轴承选用渗碳淬火钢制造,表面有很高的硬度,芯部有很高的强度和韧性,这类轴承要求具有以下的优点:a)能同时承受径向载荷和轴向推力;b)就相同的轴承尺寸而言,相对寿命更长;c)就相同的承载能力而言,尺寸较小。d)调节性能好:不管是轴向游隙还是预加负荷,均能按设计要求调到最佳性能;e)其锥型结构固有的自动移油特点,能从滚道接触区域排除任何微粒沾染物,大大降低了受工作环境污染物的影响;f)与其他类型的滚子轴承相比,因其纯滚动效果较,摩擦系数减少,磨损速度慢,使用寿命长;g)由于其内外滚道可分离,安装和拆卸十分简便;另外轴承载荷的变化对轴承的寿命是有很大影响的,例如一个轴承在18144公斤的压力下,转速为120转/分时,按设计理论计算轴承寿命为564小时,而当载荷减少50%时,轴承寿命可延长至5684小时,提高到十倍以上。4)刀体、刀盖的制造刀体是滚刀的主要受承载力的零件,它支撑着刀圈进行破岩切削,同时又?;ぷ殴龅赌诓康闹岢泻兔芊饨姓5脑俗?,既要有足够的强度承受来自刀盘和掌子面的挤压力,又要有较高的耐磨性来应对刀圈破碎下来的岩渣的磨损;刀盖是浮动密封的?;ぶС盘?,同时又起到压紧轴承调节滚刀启动扭矩的作用,两者材料一般选用42CrMo材质的锻件,并经两次热处理,使硬度达到HRC40-45,对于有的沙卵石复合地层,为了提高刀体的耐磨性,还在刀体上堆焊碳化钨等耐磨材料,保证其满足特殊地层的耐磨性需要。5)滚刀的装配滚刀的装配环节是保证滚刀的综合性能的关键过程之一,要保证各个配合尺寸的过盈量符合设计要求,保证所用轴承的预紧力的调整,并仔细检验所用密封是否存在划伤等缺陷,进行密封试压检验,加足润滑油,并根据地层条件调整好滚刀的启动扭矩。硬岩时启动扭矩要大一些,软岩时启动扭矩要小一些,以防止滚刀不转而出现弦磨,造成滚刀过早损坏。滚刀扭矩一般在30N.m---70N.m之间。6)润滑的要求因为金属浮动密封环需要配合以油浴润滑,故采用圆锥滚子轴承制造厂家推荐的车辆齿轮油(GL-5),它具有如下特点:a)良好的抗磨性。能在被润滑表面形成牢固油膜,以防止轴承和浮动密封环高工作压力区表面擦伤和胶合。b)良好的抗氧化安定性,以适应在苛刻条件下长期使用,而不易氧化衰变。c)良好的抗泡沫性,在保证操作条件下,剧烈搅拌过程中产生的泡沫少,并易于消灭。d)良好的防锈性能,以保证被润滑表面不产生腐蚀和锈蚀。此外,稀油润滑的充满性和排气性好,也有利于滚刀使用。三、刀具的使用、维修与管理<1>合理布刀不同的工程地质条件应采用不同的刀盘结构形式和布刀方式及刀具组合类型。布刀是否合理将直接影响施工效果、掘进速度和项目效益。在设计刀盘时刀具布置应考虑以下几方面:(1)按施工技术特点布刀为保证施工操作安全可靠,首先应考虑以下几点1)使刀盘受力均衡、振动小、运转平稳;2)刀具覆盖整个断面3)不得引起巷道偏斜;4)方便排除渣土;5)便于装拆和检查修理。(2)按刀盘各区工作特点布刀:根据刀盘上三个性质不同的区域(中心区,正面区及边缘区)的工作特性,布刀时一定要充分考虑其分布特点。1)中心区特点该区是刀盘的中心,特点是位置小,滚刀的转弯半径小曲率大,所以滚刀以扭转滑擦为主,滚刀径向受力和轴向受力都比较大,在小刀盘上常安装单支点中心刀以减少中心刀的滑动磨损。大刀盘的中心刀承受的刀盘推力较大,常用同规格的双刃盘形滚刀,内部安装四列轴承来满足其受力需要。中心滚刀与正滚刀的主要差别是:安装方式不同:盘形正滚刀是单个安装在刀盘上,其刀座是固定在刀盘上的;盘形中心滚刀一般是安装在刀架上,成组安装,靠两端楔块轴向压紧和螺栓连接,对装配尺寸精度要求更高。结构形式不同:盘形中心滚刀在设计时受到空间限制(硬岩时刀间距不能太宽),又要承受较大的压力,一般常做成双刃滚刀,装配四列轴承来满足受力要求。有的密封形式也不同:有的中心滚刀在刀体上留不出单独安放浮动密封环的位置,这时还须在刀体两端直接作成密封带,与两端刀盖上安置的金属浮动密封环配对实现密封。例如TBM880E所配的中心刀就是这种结构。2)正面区特点该区处于中心区和边沿区之间,工作时刀具正对着掌子面,有一定的转弯半径,大部分滚刀是以纯滚动工作为主,又有足够的布置空间,所以该区布刀容易,一般常把滚刀和刮刀配合布置,刀具使用寿命也长。在硬岩中掘进时,正面区布刀应尽量使各刀具磨损均匀、尽量使滚刀纯滚动,这时无论是轴承寿命还是刀圈寿命都会很高。3)边缘区特点该区位于刀盘的边沿,其刀具不但承担的破岩量大,且刀具受力复杂,自转的速度也较高,还要保证开挖直径,所以边缘区布刀是刀盘布刀的关键,常常布刀量比较多,有些公司还对刀圈形状和刀体进行特殊设计,并制做成专用边滚刀或边刮刀,以满足施工需要。(3)布刀间距和数量1)布刀间距在给定地质条件下,刀间距是和刀具对掌子面的推力有关的,刀具推力越大,相对刀具的切深就越大,在硬岩情况下,刀间距大约是刀具切深的10-20倍,一般刀间距在60-100mm,在靠近刀盘中心间距大一些,在靠近刀盘边缘刀间距小一些。试验表明,当减小刀间距时,获得一定掘进速度所需的刀具推力将下降。这意味着在岩石非常硬的情况下,维持每把刀推力不变,通过减小刀间距,可以增加掘进速度,但是相应要求增加掘进机总推力,并产生更小的碎石渣。而碎石渣愈小,切削岩石要求的比能耗愈大,开挖过程的经济性就愈差。因此在刀盘布刀间距设计时,要综合考虑地质特性和效率的关系。2)布刀数量布刀数量的设计基本上取决于以下几个因素:a)钻孔直径;b)岩石性质;c)刀盘总推力;d)盘形滚刀尺寸;盾构掘进机刀盘通常每圈布置一把滚刀,当刀盘直径(掘进孔的直径)较大时,在布刀半径较大的边沿区由于施于岩面上的滚压频次减少,刀间距应减小,并且每圈的布刀数量要增加,应尽量使各刀具切削岩石的负荷平衡,磨损均匀,如边滚刀在8米以上的大刀盘上以均匀布置3把以上为好,布刀数与开挖直径成正比,刀盘直径越大,布刀数量越多。刀盘的回转速度在理论上是以边滚刀转速每分钟<100转为计算基础的。刀盘回转速度n用以下近似公式表示:n=100d/D,式中:D--钻孔直径,d--为滚刀直径。一般的讲,在给定地质条件和刀具推力的情况下,刀盘直径越小,刀盘转速可以相对提高;滚刀直径增大,刀盘转速可以相对提高;刀盘直径(掘进孔径)越大,所选盘形滚刀的直径也应越大。另外布刀数量还与岩石特性和刀盘推力有关,当岩石较硬且刀盘推力较大时,适当增加布刀数量,有利于避免瞬间岩石物理特性的差异而造成单个刀具载荷过大失效,并引起其相邻刀具的加速损坏。<2>合理使用刀具(1)建立刀具档案在每一工程掘进施工开始时,就对每个刀位的刀具建立档案,记录安装日期,掘进进尺,更换的时间,修理时更换的零件及日期,修理内容等,同时记录相邻刀具的更换状态和相邻刀具高差,尽量按标准更换和按时更换,只要规定的使用寿命到期,外观还没有完全报废也应更换,避免刀具内部带病使用,一个周期不到就提前损坏,给相邻刀具带来超负荷使用造成损坏,甚至造成刀盘磨损。(2)制定科学的换刀计划刀具的寿命在掘进施工过程中因地质条件的变化而变化,每项工程的施工过程中,其刀具的耐用度是不同的,在一项工程开工后,应根据工程地质报告和在初期掘进过程中采集装置采集到的各种掘进参数进行分析,(与刀具磨损相关的参数包括:掘进速度、总推力、刀盘总扭矩、刀盘转速、进尺等)通过参数分析,预测刀具的磨损状况,统计找出能反映刀具变化的一个合理周期,制定出科学的换刀计划,尽可能做到主动进行换刀,避免被动换刀,也就是在施工整备时间内换刀。这就要求准确判断刀具状态,既不盲目更换,增加刀具消耗,又力求减少在掘进施工中出现刀具漏油、轴承损坏、刀圈偏磨、断裂、螺栓断裂或松动等不允许存在的故障现象,从而减少掘进中被迫?;械杜碳觳楹偷毒吒坏南窒?。(3)正确使用刀具,减少消耗首先除严格控制装机刀具质量,保证进洞的上机刀具都符合刀具相关标准外,做到正确使用刀具也是减少刀具消耗的重要因素之一,应从以下几方面考虑:1)合理使用刀圈,在掘进施工中,刀圈的使用量大,且价格比较贵,据统计隧道掘进硬岩施工中刀圈费用占刀具费用的30%左右,因此,使刀圈得到充分利用,尽可能使每个刀圈的实际磨损量大于允许磨损量的90%以上,是减少刀圈消耗的重要条件,这就要求在掘进时充分保证每把滚刀的负荷平衡,不偏载,不偏磨,刀盘推力适宜才能保证刀圈的充分利用。2)合理使用轴承充分发挥轴承的使用寿命。现在盘形滚刀使用的轴承大都是进口美国铁姆肯公司生产的锥面滚子轴承,价格昂贵,轴承消耗量大,在TBM硬岩掘进施工中,据统计刀具轴承费用占刀具消耗费用的15%左右,按国外滚刀有关技术规程,刀具轴承的使用寿命为564小时,前已述及,适当减小轴承负荷,可以大大提高轴承寿命,因此要适当控制轴承负荷,使其与其它相关刀具零件处于相当的经济寿命,能够减少轴承的消耗。3)合理使用密封滚刀内部的金属浮动密封,由于其结构特点是成对使用,工作过程中自动形成滑动密封副,具有不可重复拆装使用的特性,也造成了浮动密封的消耗量大,也由于其价格相对较贵,其费用占刀具费用的比重也较大,据统计在硬岩掘进施工中,刀具密封费用占到了刀具费用的10%左右。因此合理使用浮动密封,保证浮动密封的润滑效果,提高刀具装配维修质量,使刀盖给浮动密封施加的压力适当,这都有利于充分发挥密封的使用寿命,也是较低刀具费用的重要途径之一。4)合理使用刀体、刀盖刀体、刀盖在刀具使用中不能算易损件,但这几种零件相对较大,造价也较高,使用中往往发生不同程度的不正常变形损坏,这主要和工程地层条件关系较大,根据项目地质情况,由刀具提供厂家有针对性的改进这些零件的材料和热处理性能,提高其适应性,同时对这些损坏零件制定出正确的判定标准和检测方法,进行恢复性修理,也能减少这些零件的消耗。5)加强规范操作,减少事故性刀具损坏经对有的工程施工调查发现,有时为了提高效率赶工期,加大推进力和提高刀盘转速,特别是在不均匀地质段推进过快等原因,或者是地层不稳,应采取防范措施而未采取,造成刀具的意外损坏的情况也时有发生,这时损坏的刀具往往不是一把,而是多把,有时甚至很严重,难于修复。加强规范操作和施工管理,也能减少事故性刀具的损坏。(4)刀具的定期检查刀具在掘进施工过程中因地质条件的变化,其刀具的耐用度是不同的,在一项工程开工以后,应根据在初期掘进过程中制定的换刀计划和掘进参数,预测刀具的磨损状况。也就是利用掘进机上配备的数据采集装置采集与刀具磨损相关的参数进行分析,通过分析掘进速度或刀盘总扭矩的理论值与当前实际值之间的偏差值来判断刀具的磨损状况,在换刀计划之内统计找出一个能反映刀具变化的合理周期进行刀具检查(这个周期一般比换到计划周期短,也应在施工整备期内进行),可以实现在施工过程中及时发现刀具的磨损状况,对还没有达到换刀计划周期但已经磨损或失效的刀具及时进行更换,以免导致刀圈超量磨损、断裂、轴承异常损坏甚至引起相邻刀具的损坏,造成严重事故的发生。<3>刀具的常见失效形式及维护修理(1)刀具常见失效形式1)刀具正常磨损滚刀在进行掘进时,掘进进尺速度与其刃口宽度有关。随着滚刀刀圈磨损量的增加,刃口宽度随之增加,达到一定范围时会影响掘进速度,由于受到刀圈加工工艺的限制,而且新装刀圈与齿刀之间有一定的高差(各刀盘设计的高差值不同),所以当正滚刀与中心刀最大磨损量为达到与齿刀规定的高差时为正常磨损,而边缘滚刀则因隧道直径差及所处位置的要求,其磨损极限一般为15mm。正常磨损是刀具失效的主要形式,其磨损形状为在刃口宽度范围内磨损较均匀,不偏磨、不弦磨。2)刀圈断裂滚刀在沙卵石不均匀地层施工时,滚刀不易实现纯滚动,造成滚刀时转时不转现象,容易发生刀圈冲击使刀圈断裂;而在掘进过程中由于岩石硬度突变或刀盘其他部件(如齿刀等)脱落卡在刀刃与岩壁之间,会导致刀圈局部过载而使刀圈应力集中、发生断裂;有时刀圈与刀体配合过盈量过大或者硬度太高受到岩石冲击也会造成刀圈断裂。3)轴承损坏施工过程中,有时会发现刀圈被磨成一条或几条弦,称之为偏磨。这主要是由于刀具轴承损坏不能灵活转动造成的;在掘进过程中刀具出现偏磨而未及时发现是非常危险的,一把刀由于偏磨而失效会造成相邻两把刀过载而失效,从而迅速向外扩展,直至整个刀盘上的刀具全部失效,另外滚刀启动扭矩过大也容易造成滚刀时转时不转现象,使刀圈发生偏磨,所以在掘进过程中应及时观察出碴情况,一旦出现长而宽的石碴时,应立即?;觳?。造成轴承损坏的原因主要是由于轴承过载或刀盘冷却系统不良而使轴承过热抱死,或因刀具密封损坏漏油而未及时发现,造成轴承润滑不良损坏也会使刀圈偏磨而失效。4)刀具漏油绝大多数漏油刀具的轴承因无法润滑而失效,轴承外圈大多已点蚀成麻面或发蓝,同时刀具的浮动密封已失效,极个别的刀具为注油孔漏油。引起漏油的原因主要有以下几方面:a)由于岩石条件急剧变化(多为较发育的破碎岩层)或换刀不合理(相邻刀具的磨损量相差较多),造成个别刀具过载,使刀具轴承的承载面点蚀剥落,剥落的金属碎片及颗粒使密封失效。b)由于刀盘冷却系统不良而使轴承及润滑油温度过高,浮动密封面烧伤使密封失效。C)强度较高的大石块或崩断的正面齿刀、边缘刮刀刀齿挤卡在刀具端盖密封处,使其受挤压变形引起滑动密封失效。d)刀具轴承及浮动密封的寿命已达极限。e)刀具在装配或修理过程中刀具内混有杂物引起浮动密封面划伤失效。5)刀圈剥落由于刀圈在滚切岩石过程中,刀圈受力较大,表面磨损产生疲劳裂纹并逐步扩展导致微观断裂、磨损剥落。从刀具检查情况来看,一般刀圈的剥落块状较小,不影响刀具的正常运转。6)刀具安装螺栓松脱、断裂由于在掘进施工过程中破碎岩石的力量较大,特别是在硬岩掘进时更大,震动也比较厉害,?;嵋鸬毒吡勇菟ㄋ赏?、断裂,引起刀具损坏以致无法掘进。(2)刀具的维护修理1)制定科学完善的刀具管理制定一个大的项目,刀具种类很多,首先要建立完善的刀具台账,做到每把刀具都有据可查,记录每把刀具的来龙去脉。加强对刀具的库存质量监管,使其保持良好的质量状态,保证出库刀具的性能质量完好。2)制定正确的刀具检查标准、修理工艺刀具的检查标准分两种情况,一种是对旧刀的检查标准,要制定出详细检查标准,什么样的刀具可以修理,什么样的刀具没有修理价值,应当报废;另一种是对修理刀具的检查标准,什么样的刀具修理的是合格的,什么样的刀具修理的是不合格的,都要有详细的界定标准。刀具的修理工艺也是比较关键的,一般都由专业人员制定,修理方法得当,修出的刀具质量就有保证,修理方法不当或不仔细,没有达到质量要求,修出的刀具使用寿命就会差很多。3)配备必要的资源盾构掘进机刀具修理是很专业的工作,必须配备必要的设备和工具,同时要由受过专业培训的人员担当,才能很好的完成此项工作,必要时修刀人员应到刀具供方厂家进行培训学习。4)刀具的修理刀具的修理主要是指滚刀的修理,刮削刀具一般不具备可重新修复条件,这里不再叙述。滚刀的修理主要有以下几个环节。a)刀具修理前的检查刀具在修理前将刀具清理干净,彻底进行冲洗,安放在专用工作台架上,应仔细检查刀具的损坏情况,确定出刀具修理部位和修理方案,制定出详细的修理工艺,根据各个项目的资源配备情况进行修理,必要时返回刀具厂家修理。b)刀具的解体根据刀具的修理方案和修理工艺,仔细将刀具各件进行拆分解体,然后再对解体后的刀圈、刀体、刀盖、刀轴和轴承密封等进行仔细检查,确定各件的修理方案,能修则修,不能修的报废。c)刀具的装配刀具在修理过程中,刀具的装配是关键环节,装配质量控制的好,其使用效果能象新刀一样,若装配质量控制不好,掘进施工中会很快出现问题,影响相邻刀具的正常使用,特别要注意以下几个关键装配环节。刀圈的更换在更换刀圈是要注意清洁刀体安装面和刀圈安装面,并检查配合的过盈量,要符合设计要求,刀圈的加热温度要控制好,温度过低刀圈涨量不够装配困难,温度过高冷却后刀圈收缩量大容易断裂。确定轴承内套隔圈的宽度刀具在装配过程中其轴承内套隔圈的宽度尺寸是非常关键的,宽了无法调整轴承的预紧力和滚刀启动扭矩达到合适的要求,轴承容易串动,无法正常工作,窄了容易使轴承的预紧力过大,刀具使用中轴承容易抱死不转动,使刀圈偏磨。浮动密封的装配和试验装配时要特别仔细检查浮动密封的结合面,不能有任何的划伤缺陷存在,进行压力试验后才能装配,这是因为浮动密封在使用中是金属面对金属面滑动摩察,全靠刀具内部罐装的润滑油形成油膜进行润滑,一旦浮动密封面有划伤存在,润滑油会很快漏掉,造成轴承和浮动密封干摩察,刀具会很快失效报废。滚刀启动扭矩的调整前已述及,滚刀的启动扭矩对刀具的影响是比较大的,装配时要根据地层条件调整启动扭矩,一定要满足,启动扭矩一般用扭力扳手测定。刀具的标识与记录装配修好的刀具要及时进行标识和记录,在指定区域存放待用。(3)刀具发展趋势1)国产化随着刀具制造技术的不断进步,刀具质量也会不断得到提高。刀具的国产化律也会逐步提高,盾构刀具国产化是盾构施工发展的必然趋势。现在国内已能成套提供大型盾构机系列刀具。2)盾构刀具大型化前已述及刀盘回转速度n常用以下近似公式表示:n=100d/D,式中:D--钻孔直径,d--为滚刀直径??梢钥闯龌刈俣扔氲毒咧本冻墒钦鹊?,施工中当然是希望刀盘转速高一些掘进速度快一些,但它是受滚刀自转和其它综合因素制约的,不能随意增大,又由于滚刀自传转速受浮动密封结构影响,也不能增大。因此在保持刀盘一定转速时,刀具直径越大,承载能力越大,而滚刀本身自转速度不增加甚至还会降低,对轴承、密封和刀圈的使用寿命都会有所提高。结束语由于自己知识面有限,在这里只是把自己了解的情况给大家加以介绍,和大家共同讨论,讲错的地方在所难免,请大家谅解。谢谢各位!

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