盾构掘进机破岩刀具.ppt

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盾构掘进机刀具综述,晁焕清王汉章邹恒洛阳九久技术开发有限公司,主要内容1.盾构机刀具的类型和破岩机理2.盾构机刀具的结构3.盘型滚刀的材料和性能4.刮刀的结构和性能5.盾构机刀具的应用及对地层的适应性6.提高盾构机刀具寿命的途径,1盾构机刀具的类型和破岩机理1.1盾构机刀具常用类型目前使用的刀具一般分为两大类:

刮削刀具、滚动刀具刮削刀具（刮刀、割刀）刮削刀具是指只随刀盘转动而没有自转的破岩刀具，刮削刀具的种类繁多，目前盾构掘进机上常用的刮削刀具类有边刮刀、刮刀、切刀、齿刀、先行刀、仿形刀、刮板等。

滚动刀具（滚刀）滚动刀具是指不仅随刀盘转动，还同时作自转运动的破岩刀具。

根据刀刃的形状滚刀可分为：

齿形滚刀（钢齿和球齿）、盘形滚刀（钢刀圈滚刀和球齿刀圈滚刀）。

见图根据安装位置滚刀可分为：

正滚刀、中心滚刀、边滚刀、扩孔滚刀。

目前盾构掘进机滚刀主要是盘形滚刀，盘形滚刀又有单刃、双刃和多刃。

1.2刀具破岩机理刮削类刀具的工作原理在刀盘推力的作用下，刮刀嵌如岩渣或岩层中，刀盘带动刀具转动时刮削岩层，在掌子面形成一环环犁沟，特点是效率高，刀盘转动阻力大。

在软土地层或滚刀破碎后的渣土通过刮刀进行开挖，渣土随刮刀正面进入渣槽，因此刮刀既具有切削的功能也具有装载的功能。

盘形滚刀工作原理刀盘在纵向油缸施加的推力作用下，使其上的盘形滚刀压入岩石；刀盘在旋转装置的驱动下带动滚刀绕刀盘中心轴公转，同时各滚刀还绕各自的刀轴自转，使滚刀在岩面上连续滚压。

刀盘施加给刀圈推力和滚动力（转矩），推力使刀圈压入岩体，滚动力使刀圈滚压岩体。

通过滚刀对岩体的挤压和剪切使岩体发生破碎，在岩面上切出一系列的同心圆（见图）。

各类刀具的主要破岩机理,2盾构机滚刀的结构滚刀结构如图所示。

它们主要由刀圈、刀体（套）、刀轴、轴承、金属浮动密封环、刀盖（座）及联接螺栓等件组成。

21滚刀的内部结构滚刀的内部结构是保证滚刀工作时正常旋转的关键，通常是由轴承、密封、润滑油脂组成。

根据刀具的发展，大体经历了三个阶段，即有三种结构。

22刀具安装结构安装结构是为了把滚刀即方便又可靠的安装在刀盘上。

常用的安装形式有如下几种。

23刀具刀刃结构形状刀刃是用来破岩的，通常有齿形和盘形两大类，每一类往往又有多种不同的刀刃形状。

如下图.,3.盘型滚刀的材料和性能,3.1刀圈的材料根据刀圈的工作条件，刀圈材料应满足以下性能：

1）高的屈服强度，避免刀刃端在高应力下压溃变形；2）足够高的硬度，增加耐磨性，减少刀圈磨损；3）良好的冲击韧性，提高材料裂纹扩展功，防止刀圈断裂；4）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。

5）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。

目前的滚刀刀圈有两大类：

整体耐磨钢材料和镶有硬质合金球齿的刀具材料。

整体耐磨钢刀圈材料主要以合金工具钢为主，也有合金结构钢，硬度在HRC52-59,它的特点是可以承受较大的冲击，并具有较高的耐磨性能，刀具制造费用较低，适用地层范围广，从软岩、中硬岩到硬岩都可选用。

常用刀圈材料成分,各国工具钢材料标准比较,各国合金结构钢材料标准比较,国外刀圈性能表2,通过对国外刀圈解剖分析和我们的研究，各刀圈制造公司对标准材料都会作适当调整，并采用特殊的冶炼工艺、锻造工艺和热处理工艺,保证刀圈的综合性能。

球齿刀圈是在钢基体上镶嵌硬质合金刀头，硬质合金刀头呈球状或楔状，硬质合金硬度为HRA85-88。

一般认为，抗压强度超过175Mpa的坚硬岩采用球齿刀圈，它很好地解决了刀圈硬度（主要由合金球头满足硬度）和韧性（刀圈基体不要求太高硬度，韧性增加）的矛盾，其寿命是钢刀圈的3-5倍。

但制造成本较高。

3.2刀具密封装置：

密封是保证滚刀内腔的润滑剂不漏出并防止外来物进入，对保证轴承正常工作和延长工作寿命是十分重要的。

采用金属浮动密封环密封。

金属浮动密封环密封属于机械端面密封的一种，这种密封在均匀载荷、润滑优良的条件下试验寿命高达5000h。

由于滚刀作业受力的复杂多变、使用环境恶劣，有一定的外部介质压力等，使用寿命会降低很多，但还是能满足滚刀使用要求的。

这种密封由两个啮合的金属密封环和两个富有弹性的复合橡胶密封圈组成。

具有浮动能力，可补偿装配端间隙或防止偏斜。

金属密封环是密封装置中的主要零件，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Ra0.1um，表面平面度0.0015mm。

这种金属密封环其特点如下：

采用4度导油斜面及大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；采用高光洁度及硬度工作面，减少了摩擦阻力，使工作面贴合良好，提高密封性能；（3）浮动密封环采用的复合橡胶0型密封圈,具有可压缩性大及回弹性好等特点。

始终对金属环施加压力，让金属环工作面始终接触，保证轴承润滑油不泄漏及阻止泥土进入轴承腔，起到密封效果。

滚刀橡胶密封件性能指标,3.3刀具轴承滚柱滚珠轴承早期使用范围最广的刀具轴承是滚柱滚珠轴承，它用滚柱承受很高的径向载荷和冲击载荷，用滚珠承受推力，把滚刀和轴承固定在一起。

滚刀体和轴起滚道的作用，两者均用优质合金钢做成，经硬化和研磨处理。

由于这种刀具拆卸维修不方便，在盾构掘进机滚刀上已普遍被圆锥滚子轴承代替。

圆锥滚子轴承这类轴承采用锥形滚柱和滚道，具有以下的优点：

1）能同时承受径向载荷和轴向推力；2）就相同的轴承尺寸而言，承载能力更大，相对寿命更长；3）调节性能：

不管是轴向游隙还是预加负荷，均能按设计要求达到最佳性能；4）其锥型结构而固有的自动移油特点，能从滚道接触区域除去任何微粒沾染物，大大降低了受工作环境污染物的影响；5）与其他类型的磙子轴承相比，因纯滚动效果较佳，摩擦系数减少，速度提高；6）由于其内外滚道可分离，安装和拆卸十分简便；,由于圆锥滚子轴承具有上述一系列的优点，能很好满足滚刀的工况要求。

目前国外滚刀生产厂家大多选用美国铁姆肯（TIMKEN）和日本NTN等公司的轴承。

17双盘正滚刀轴承:

型号HH224334/224335HH224310：

额定动负荷C=630kN，额定静负荷C0=906kN；17双盘中心滚刀边滚刀轴承:

型号H924045-H924010）：

额定动负荷C=453kN，额定静负荷C0=610kN。

由于进口轴承价格高、交货期长，九久公司和轴研所、轴承厂合作已制造出滚刀用轴承，使用性能正逐渐被用户接受。

目前生产刀具轴承的材料是低碳铬镍钢如20CrNi3Mo，常常通过特殊的冶炼工艺保证钢材的纯净度，通过深层渗碳热处理工艺，保证表面HRC58-60，芯部HRC43-45。

刀具轴承的寿命受润滑条件、装配预紧量、载荷特性、内在质量等影响，但主要和工作载荷大小、转速有关，负荷加倍，寿命将降低大约90%，负荷减半，寿命将增加10倍；转速加倍，寿命将降低一半，速度减半，寿命将增加一倍。

刀盘设计和刀具选用时一定要考虑轴承的这一特性。

4.刮刀的结构和材料刮刀是由刀座、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如先行刀、螺栓连接如边刮刀、插销接如正面刮刀，替换滚刀部位的齿刀或切刀与滚刀的安装方式相同。

刀座有的是与刀体成一体的，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保护作用，要有足够的强度和耐磨性，通常选用中碳中合金钢或空淬钢，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保护刀体不被磨损的关键部位，通常是用硬质合金做成的，硬质合金的型号为YG11C。

其大小和形状根据部位、作用、地层设计。

刀刃与刀体的的连接是关键，具体工艺有钎焊、镶嵌和镶嵌焊，连接强度要求大于250MPa。

钎焊时，焊料和焊接方法、工艺是很关键的，焊料有铜基和银基两大类，焊接方法有高频焊和真空焊等。

几种刀具的推荐使用范围,5.盾构机刀具的应用及对地层的适应性,5.1盾构掘进机刀具在国内的应用目前我国在地铁、引水工程、铁路隧道和过江隧道等工程中大量应用盾构掘进机，其刀具应用很普遍。

主要以进口为主，各施工单位先后购进了威尔特、海瑞克、罗宾斯、三菱、小松、旁万利、黑金刚等世界先进厂家的盾构掘进机刀具，已成为盾构掘进机刀具应用大国。

主要以17滚刀为主，也有19规格的。

国内也先后有多个厂家参与刀具研制，如一重、戚所、南齿、洛阳九久、江钻等。

国内主要工程应用国外刀具情况,洛阳九久公司盾构掘进机刀具应用一览表,5.2滚刀的组合设计（刀盘的设计）刀盘是盾构的主要工作部件，不同工程的地质条件应采用不同的刀盘结构形式及刀具布置方式及刀具形状。

刀盘及刀具的好坏直接影响盾构掘进机的切削效果和掘进速度，关系到盾构施工的成败，影响盾构机的掘进速度和效益。

刀盘刀具布置原则1）刀具覆盖整个断面；2）使刀盘受力均衡、振动小、运转平稳；3）尽量使各刀具磨损均匀、尽量使滚刀纯滚动，即刀具母线过刀盘中心；4）有利于保证掘进直径；5）方便排除岩土；6）便于装拆和检查修理。

盾构机刀具的选用原则：

1）适应地层，能快速掘进;2）刀具费用少;3）安全性;4）破碎每一单位体积岩石动力消耗少.,5.3盾构机刀盘常见结构与应用根据地层的不同,刀盘的结构及其刀具的组合布置、对刀具性能的要求也不同。

刀盘大体分为三类：

刮刀类刀盘、滚刀类刀盘和复合类刀盘。

刮刀类刀盘适用于软土及沙卵石地层，一般中心布鱼尾中心刀，正面布切削刀，边沿布边刮刀，根据地层的实际情况决定是否布先行刀。

刮刀刀盘边刮刀通常是连续布置的,其体积也大,布刀重叠系数大,一般是4-8,正面刮刀重叠系数随着半径的减少也变小,一般是1-3,切削刀根据地层需要有连续的,但大多数是不连续的。

且都是成对布置，以满足刀盘正反转的需要。

使用中刮刀的损坏有：

刮刀磨损、刮刀刀刃崩裂或断裂、刮刀掉齿。

滚刀类刀盘适用于全断面岩层，特别是中硬以上地层，目前主要是17盘型滚刀。

刀盘各区的刀具特点根据刀盘上三个性质不同的区域（中心区，正面区及边缘区）的特性，布刀时一定要充分考虑。

中心区该区是刀盘的中心，特点是空间小，滚刀的转弯半径小，所以滚刀以滑动为主，在小刀盘上常安装单支点中心刀。

大刀盘常用同规格的盘形滚刀。

中心刀与正滚刀的主要差别：

成组安装：

有两个一组、三个一组和六个一组。

密封形式:

单密封环与轴承或刀体配对。

轴承型号：

轴承常选用大角度的，且预紧力也大。

正面区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，是以所谓的纯滚动工作，又有足够的布置空间，所以该区布刀容易，刀具寿命也长。

在硬岩中钻进时，“纯滚动”无论是刀具轴承寿命还是刀圈寿命都有提高。

边缘区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，还要保证开挖直径，所以，常常布刀量要多，有些公司还对刀圈形状和刀体进行特殊处理，作成专用边刀。

刀具数量和刀间距在给定地质条件下，刀间距是和刀具的推力有关的，刀具推力越大，相对刀具的切深就越大，在硬岩情况下，刀间距大约是切深的10-20倍。

试验表明，当减少刀间距时，获得一定掘进速度所需的推力将下降。

这意味着在岩石非常硬的情况下，维持每把刀推力不变，通过减少刀间距，可以增加掘进速度；但是，相应要求增加机器总推力，并产生更小的碎石屑。

而碎石屑愈小，切削岩石要求的比能耗愈大，开挖过程的经济性就愈差。

在给定地质条件和刀具推力的情况下，刀具数与开挖直径成正比，刀盘直径越大，刀具数越多。

适当增加刀具数，有利于避免瞬间岩石物理特性差异而造成单个刀具及其相邻刀具的加速损坏。

刀盘上刀具数量的设计基本上取决于以下几个因素：

1）钻孔直径；2）岩石性质；3）刀盘总推力；4）盘形滚刀尺寸；5）刀盘转速盾构掘进机刀盘通常每圈布置一把滚刀，在边沿区由于施于岩面上的压力减少，刀间距要减少，且每圈的刀具数量要增加，如边刀在8米以上的大刀盘上以均分布置3把以上为好。

刀盘直径越大，所选盘形滚刀的直径也应越大。

在理论上刀盘的回转速度是以边刀转数每分钟120转为计算基础的。

回转速度RS用以下近似公式表示：

RS=120d/D，式中：

D-钻孔直径，d-为滚刀直径。

因为回转速度与掘进机的切割速度是成正比的，当然是希望速度高。

在保持刀盘一定转速时，滚刀直径加大是很有利的。

滚刀直径加大后滚刀轴承可相应加大，使其提高了承载能力，有利于切割硬岩。

同时单刀承载能力提高之后，刀齿切入岩层深度相应增大，单刀破岩量亦增加，刀具使用寿命延长（l倍以上），减少了换刀时间，从而提高了掘进速度。

采用大直径滚刀，可以实现以较少的刀具数量、较低的钻进扭矩、较高的钻进效率进行钻进作业。

刀具直径越大，承载能力越大，而刀具本身转速下降了，对轴承、密封、刀圈的寿命都有提高。

所以，目前的发展趋势是大直径滚刀。

但盘刀直径加大，重量会增加，装机更换会困难，所以17盘型滚刀得到普遍应用。

在均质硬岩地层，滚刀的失效形式主要是刀圈磨损，也有轴承、密封早期失效、刀圈断裂现象。

刀圈的耐磨性是问题的关键，在地层条件和掘进参数一定的条件下，刀圈的耐磨性和刀圈的材料、制造工艺和金相组织有关，在材料确定的条件下，直观反映刀圈耐磨性的指标就是硬度了。

刀圈硬度与刀圈耐磨性对应关系,例如：

在西宁线桃花铺隧道施工中，采用了威尔特公司的TB880E隧道掘进机，地层均匀，为石英片岩夹大理岩，节理较发育，刀圈硬度与刀圈耐磨性的对应关系见表。

上表中30磨损值比较是指试验刀圈与威尔特刀圈耐磨性的比较值，负数表示试验刀圈耐磨性比威尔特刀圈耐磨性提高的百分数，如-5.25表示耐磨性提高5.25%,正数表示耐磨性降低的百分数,如10.7表示耐磨性降低了10.7%。

从表中数据可以看出，硬度对耐磨性的影响是很明显的，硬度平均降低5%，相对耐磨性要降低17%。

因此，在这类地层，往往根据岩层的抗压强度选取刀圈。

中软岩4585MPa如石灰岩砂岩大理石火山岩凝灰岩用轻型刀圈中硬岩85180MPa如白云石片麻岩花岗岩片岩长石用重型刀圈硬岩180MPa如闪绿岩硅岩角闪岩硬质粘土岩玄武岩燧石砾岩用球齿刀圈。

当然也有例外，因岩层的抗压强度与可钻性并不完全一致，破岩主要是靠剪切来完成的（岩石的剪切强度往往只有抗压强度的1/10-20），有些胶结砂岩，石英含量很高，耐磨性很大，抗压强度并不太高，但用球齿刀圈更好。

复合型刀盘适用于软硬不匀的地层,特点是即可安装滚刀,也可安装切削刀,在城市地铁和市政工程盾构施工中常见。

海瑞克复合型盾构在广州、深圳、北京等城市地铁大量应用，日本小松、三菱也有应用。

海瑞克刀盘主要有两种布刀形式：

装有中心双刃滚刀6把，双刃正滚刀13把，切刀64把，边刮刀32把，五环超挖刀1把，适应于80Mpa以内的复合地层；刀盘装有中心双刃滚刀4把，单刃正滚刀31把，切刀64把，边刮刀16把，五环超挖刀1把，适应于160Mpa以内的复合地层。

在较软的岩石地层滚刀可以更换为齿刀，增加刀盘对不同地层的适应性。

这类地层的特点是软硬不匀，往往是上软下硬，地层软时滚刀易偏磨，外圈滚刀由于受力不均，常常出现刀圈断裂的情况，特别是遇到大的孤石时，在广州、深圳地铁的进口刀盘和刀具应用中经常会出现刀圈断裂和滚刀偏磨现象。

例如：

在上海基础公司施工深圳水库流域污水截排工程中，工程地质错综复杂，整个管道须穿越340m库尾浅覆土段、270m滩涂段（硬岩段）和300m沙湾河口段（卵石、沙层、岩层），岩层的单轴抗压强度在40-140Mpa之间。

地层描述见图。

盾构机为改制的4.65m复合土压平衡式，刀盘刀具为自行设计，其刀具刀盘结构见图。

施工中，中心滚刀和低刀位正滚刀主要以正常磨损为主，外圈边滚刀主要是刀圈崩裂。

为解决刀圈断裂问题，我们曾尝试采取其他措施如把刀刃做厚、适当降低刀圈硬度以提高其抗冲击性能等，但效果都不明显。

因地层上下差别大，刀盘转动时边刀经常会出现碰撞岩石崩裂，刚更换的新滚刀也常发生崩裂，虽然改变掘进参数会有所改善，但不能从根本上解决问题，针对这种情况，我们采用整体球齿盘形滚刀，刀圈和刀体做成一体，采用韧性较好的材料，如45CrNiMo一类的材料，降低本体的硬度，控制在HRC48-50，从根本上解决刀圈和刀体的开裂问题，要保证有足够的耐磨性，在刀刃部位镶嵌硬质合金，硬质合金的硬度HRA可高达87-88，大大提高了滚刀的耐磨性。

球齿盘形滚刀如图5。

这种球齿滚刀制造了两把，安装在14-1和14-2刀位，从658环到1068环，共掘进了410环，与14号刀相邻的13号和15号刀位滚刀都又更换了4次，而球齿滚刀一直用到施工结束，使用后的球齿滚刀无论是耐磨性还是抗断性都很好。

这种滚刀的造价约比正常滚刀提高50%，通常不更换外壳，即轴承寿命和刀体寿命相当。

6.提高盾构机刀具寿命的途径6.1严把刀具零件和装配质量关6.2合理选用刀具及刀盘结构6.3正确的掘进施工参数6.4新型耐磨材料的研发和应用1）发展新的钢结合金破岩刀具材料从美国和日本研究强韧性Wc基钢结合金来看，Wc的含量在60-75%，基体钢为40-25%，主要以锰钢加入，并加入适量的Ni、Co、Mo、Cr等，但Mn含量不超过20%。

钢结合金在冲击强度和抗弯强度、都超过Wc-Co类合金；因此，作为破岩工具上的材料是有前途的。

2）改进WC-Co硬质合金国外凿岩工具应用硬质合金尽管已有半个多世纪，但仍在不断改进和发展之中:

a.向低钴粗颗粒WC发展。

影响凿岩钻头的磨损主要因素是硬度（抗压强度），其次就是平均粒度，使用证明在具有同样硬度的情况下，粗晶粒（6-20微米占30%）合金要比细晶粒（1-2微米）合金耐磨。

b.改善WC-Co合金组织。

合金组织中孔隙对质量有极大的影响，凿岩工具的粗晶粒WC-l0%Co合金，如果能制成无孔隙的组织，则其强度可由280-290公斤毫米2，提高到340-400公斤毫米2。

瑞典资料报导，破岩刀具若采用无孔隙的合金，则合金寿命要比市销的最好合金高75-100%。

其次组织中制成非均匀分布WC合金，凿岩效果更佳。

c.WC-Co合金中添加少量的TaC，能改善合金高温强度，高温硬度，并能提高合金冲击韧性和抗氧化性，对凿岩工具尤为适宜。

美国休斯公司牙轮钻头就渗加0.5-1%Tac。

3）新型热处理工艺及表面处理技术。

4）凿岩刀具形状的设计改进国外是很注重破岩工具的齿形研究；试验表明，选择合理的齿形，如几何尺寸、齿形的强度等，对破岩工具的寿命和效率有着实际的意义，例如，仅通过合金刀片的形状和尺寸的改进，钻头在硬岩和中硬岩中钻进寿命可提高2-5倍。

谢谢,