耐磨复合板在盾构机中的应用

        盾构机的组成配件中，刀具由于掘进磨损和承受掘进压力的作用，属于盾构机施工中的易损易耗件，使用进口的刀具进行盾构机施工；1)国外进El刀具价格昂贵；2)往往进口刀具都有一定的周期，掘进地层土质又发生不断变化难以预料，提前配置有盲目性，临时购买则会影响整个工期。同时在工程砂卵石层进行盾构施工，其中较重要的是要保持掘进面的稳定和延长盾构机使用寿命。本研究项目收集各方面资料，并根据本公司已经参与的工程研究在砂卵石层施工时盾构机刀盘的设计要点，保持掘进面稳定的方法，以及根据施工刀具的使用性能和磨损规律，结合刀具的受力情况和金相分析，总结刀具的失效原因，然后研制出盾构机的组成配件耐磨堆焊工艺，符合盾构机的耐磨复合板。 

1 盾构机的组成及各种刀具磨损的原因分析

        我们知道，盾构机掘进在破岩过程中，刀具承受了很大的径向力与侧向力，使得刀圈刃尖因剧烈摩擦和冲击急剧磨损而降低使用寿命，为此必须经常进行检查更换，经统计红花套、黄石盾构机隧道检查刀具与换刀时间，分别占隧道工程掘进时间的 19．5％，22％，费用成本占有 18％～23％，不但增加人财物的消耗量和刀具更换的工作量，降低了有效工作时间，增加了施工风险，还直接导致单位掘进成本的提高。 1．1 盾构机刀具的种类与用途         我们将以 AVN2440DS盾构机进行探讨 ，AVN2440DS盾构机刀盘上装有一组刀具，其中由 7个单滚刀、6个双滚刀、5个中心滚刀，4组刮刀 24把组成。刮刀：刮刀适用于软土及一些混有或交替夹有软岩的地质，其切削方式是通过对土体铲切实现对掘进面开挖 ，刮刀切削土层与软岩层更容易。盘形滚刀：盘形滚刀通过刀盘转动，滚刀在盾构机推进力的作用下，通过刀具对掘进面岩体转动挤压，对岩石表面挤切一个槽，同时在剪切力的作用下造成岩石开裂破碎。 1．2 刀具磨损的影响因素         在盾构机推进力作用下刀具对开挖面土体产生一定压力。随着刀盘的旋转，刀具与土砂磨料摩擦，从而产生磨损。刀具的磨损与地质条件、刀具材质及其在刀盘上的安装位置有关，并且随着刀具掘削里程的增加而增大。布置在刀盘周边的刀具由于线速度大，切削路线长，因而磨损快、易折断、寿命短。刀具损坏的主要形式有刀具的磨耗和脱落。刀具的磨耗受材质、硬度、作用的推力以及地质条件和刀具切人深度、速度、时间的影响；刀具脱落主要与安装方法有关，施工时也受刀柄的磨耗和砾石、障碍物的影响。盾构机在掘进中会遇到各种不同地层 ，从淤泥、黏土、砂层、砂卵石层到软岩及硬岩等。开挖过程中刀具受力复杂，工作环境恶劣。刀具的磨损与施工地层密切相关。淤泥质黏土、粉质黏土、粘质粉土等地层对刀具的磨损很小，而砂土、砂卵石砾石地层对刀具的磨损十分严重，甚至使刀具折断。这种情况在已经施工的工程中得到了印证。 1．2．1 刀圈断裂         刀圈选用材质与地质岩性不适用，当岩石抗压强度较高时，对刀圈的自身硬度要求也较高，刀圈抗冲击性能也随之下降，将造成刀圈断裂，称为冲击疲劳断裂。同时配合间隙过盈量超过规定值时，在掘进中因刀具内外温度相差较大，将会造成刀圈断裂，称为内应力断裂。在掘进过程中刀具冷却效果不好，特别是在淤泥、黏土地质或岩石断裂带夹层造成刀具被包裹，将会造成刀圈断裂，称为内应力断裂。 1．2．2 轴承损坏与刀圈偏磨         刀具密封效果差，包括有密封配合间隙、橡胶弹力与硬度、机械密封平面度、机械密封面硬度与耐磨性能等 ，泥砂进入刀具内部造成轴承损坏后 ，刀圈产生偏磨；润滑脂热膨胀系数超过规定，在刀具受热时密封油脂外溢，冷却降温时泥水进入刀具轴承内，或是装配时内部空气没有排尽，造成轴承损坏后刀圈偏磨；刀具转动部件装配间隙不合理 ，刀圈转动扭矩超过规定值时，轴承加速磨损而损坏；转动扭矩低于规定值时，造成密封与密封面之间自由间隙过大，密封失效，泥水进入，造成轴承损坏后刀圈偏磨。 1．2．3 滚刀壳体变形磨损         刀具壳体表面硬度低于基岩抗压强度，破碎后的岩石、砂砾石对刀具壳体长时间冲击，造成壳体变形损坏；刮刀基材或表面硬度低于基岩抗压强度，破碎后的岩石、砂砾石对刀具壳体长时间冲击，造成壳体变形损坏；采用压人式装配时，装配过盈量未达到规定要求，在受到交变冲击时松动后脱落 ；采用焊接时，刀齿与基体焊接出现虚焊、夹渣 ，造成焊接不牢固，在受到交变冲击时松动后脱落。 1．2．4 刮刀合金齿脱落         合金齿硬度与抗冲击性能 ，与掘进地质岩性不相适应，合金齿硬度偏高而抗冲击性差，在受到冲击时易造成合金齿断裂；在安装时螺栓扭矩未达到额定扭矩，造成螺栓松动较后断裂，刀具脱落；滚刀总成脱落后或较大较硬的岩石块对刮刀撞击，造成螺栓断裂后刀具脱落。 

2.盾构机的组成

3.盾构机部件耐磨堆焊方案

        从盾构机刀具磨损情况来看 ,由于刀具本体基本完好 ,大部分刀具磨损在容许范围内 ,剩余刀刃高度能够满足右线掘进任务 ,没有必要更换整个刀盘或者是全部刀具 ,只需要对磨损的刀盘本体和刀具进行焊接修复和更换 ,即可保证盾构机正常进行下阶段的掘进施工。盾构修复的原则是保证修复后的刀具本体性能不低于原设计制造的水平 ,保证更换的刀具与出厂配备的刀具性能相匹配。为此 ,在深入分析和研究之后 ,决定采用河南永升耐磨焊丝（焊丝样品图3）堆焊修复具体盾构机修复方案： 1 对盾构刀具本体外缘侧板环面 ,采用埋弧堆焊的方式 ,首先填平一圈凹槽 ,然后堆焊整个侧板环面 ,在环面上形成一圈耐磨层 ,使得刀具本体直径恢复到出厂时的 6240 mm。 2 刀具外周边缘的倒角磨损采用加焊一圈耐磨钢板的方式对其进行恢复补强。钢圈外径为6240 mm,内径 5920 mm,厚度 30 mm。钢圈面与刀盘本体面平齐 ,钢圈与刀具本体焊接采用二氧化碳保护焊 ,用埋弧堆焊把钢圈与刀具面板之间的缝隙和钢圈与刀具外缘侧板环面之间的凹槽填平。钢圈表面采用二氧化碳保护焊堆焊栅格状的耐磨堆焊层。

4.盾构机耐磨堆焊焊丝材料参数：