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                  盾構掘進機刀具選擇使用與維護管理

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                    發展刀具是一個很廣泛的概念,在石器時代人們就嘗試著利用石刀、石斧為人類服務。在現代人們的日常生活當中,人們更是廣泛的利用著各種各樣的刀具,在機械加工業、木工業、采礦業等工業領域,刀具都得到了很好的利用為生產發展服務。特別是在我們的隧道工程掘進施工當中,隨著盾構掘進機施工技術的發展,更是為刀具的應用和發展帶來了獨特的發展空間,不論在什么地層條件下施工,掘進速度的快慢,施工成本的高低,都直接與刀具的選擇是否得當和其性能好壞有著很大的關系和影響。因此,世界各國都非常重視盾構掘進機刀具的研究和應用,特別是在盾構掘進機施工中對各種巖層的開挖所需的刀具,各國都做了大量的研究工作,美國、日本、德國等一些工業發達國家從刀具的切削機理、切削理論計算、破巖的方式、模擬試驗等方面都進行了長期的深入研究,取得了較多的成果和經驗,并在不斷的應用中改進和完善,形成了適用于多種地層的盾構掘進機刀具系列和品種規格。我國對盾構掘進機刀具的開發研究始于二十世紀六十年代,經過幾十年的努力和發展,也取得了較大的進步和發展,特別是從上世紀九十年代以來,我國的經濟建設進入了一個高速發展的時期,整體工程技術水平有了較大提高,國內的地下空間工程、隧道工程建設大量增加,國內的盾構掘進機施工技術水平大大提升,盾構掘進機施工任務大量增加,已成為盾構掘進機的應用大國,對盾構掘進機刀具的需求量不斷增加,掘進機刀具的研究和發展也取得了長足的進步,已研制出多品種、多規格、多功能且能滿足于多種地層施工需要的盾構掘進機刀具,有的刀具已達到了國際同類刀具的先進水平,國產刀具正逐步替代進口刀具,迎來一個盾構掘進機刀具大發展的時代。<2>盾構掘進機刀具的分類和工作機理2、1地層的特點我們知道盾構掘進機刀具(以下簡稱刀具)是盾構掘進機施工中實施掘進的的關鍵部件,直接挖掘掌子面,所有的掘進施工最終都要靠刀具來完成,因此,刀具的選用是否適用于該項目地層的掘進和刀具本身質量的好壞是影響施工進度的關鍵因素之一。施工中各工程遇到的地層條件是千變萬化的,但不管其怎樣變化,其主要地質成份不外乎土層和巖層兩大類或兩類地層的不同組合形式。就土層而言,是以各種沙土、粘土、膠泥等形式或者以它們的不同組合呈現在工作面,它們的硬度都比較低,強度特性較弱,比較容易破碎,一般抗壓強度在30MPa以下,用刮削類刀具即可完成掘進施工。就巖層而言,是巖石以各種不同的強度和固體形狀或以它們的不同組合形式呈現在工作面,它們的強度特性較高,(常以單軸抗壓強度來表達)抗壓強度一般在30MPa以上,必須用滾切刀具或用滾刀和切刀的組合來完成掘進施工。常見的巖石單軸抗壓強度參考值如下:巖石種類抗壓強度(MPa)巖石種類抗壓強度(MPa)粗玄巖196~343石英片巖69~178輝長巖177~294云母片巖59~127閃長巖177~294凝灰巖59~167玄武巖147~294千枚巖49~196石英巖147~294片麻巖49~196花崗巖98~245石灰巖29~245流紋斑巖98~245砂巖19.6~196大理巖98~245泥灰巖12~98板巖98~196頁巖9.8~98白云巖78~245煤4.9~49因而在不同的地層進行掘進施工所適用的刀具是不同的,但所有的刀具也都是圍繞怎樣切割各種巖層和土層來進行施工的。刀具的研發也是如此,經世界各國多年的研究和施工實踐,目前盾構掘進機刀具主要分成刮削類和滾切類兩大類:2.2刮削類刀具及其切削機理(1)刮削類刀具特點刮削類刀具一般是通過相對滑動來切割軟巖和土層的,它由刀體和刀刃兩部份組成,一般用于軟土層和軟巖地層的開挖,有時也作為輔助刀具裝在滾刀的后面使用。刀體對刀刃起支持作用,并且刀體還起到在刀盤上的安裝連接作用,要求具有一定的強度和剛度。刀刃部分通常直接與工作面接觸起切割巖土層的作用。俗話說好刀看刃,為了延長刀具使用壽命,刀刃部分通常采取特殊工藝處理,常堆焊或噴涂碳化鎢等耐磨硬質材料或鑲嵌(通過釬焊或熱裝)硬質合金刀片。以保證刀刃部分的鋒利和耐磨性,滿足切割軟巖和土層的需要。合金刀片的形狀和尺寸較多,根據不同的刀盤安裝要求和地層情況而定,要求其具有一定的耐磨性、抗沖擊韌性及與刀體的可焊性(焊接結合時),刀體則根據需要也可作成各種形狀和尺寸,所以,刮削刀具的種類繁多,目前盾構掘進機上常用的刮削類刀具主要有邊刮刀、貝克刀、切刀、齒刀、先行刀等(如下圖所示),其切削的方式和切削機理是一樣的,為了敘述方便,本文通稱刮削類刀具。(2)刮削類刀具的切削機理刮削刀具一般是通過螺栓連接或焊接在刀盤上的,在刀盤的連續旋轉帶動和刀盤油缸推力作用下,刮削刀具的刀刃部分不斷的嵌入(切割)掌子面,并對軟巖土層掌子面(或滾刀破碎后的渣土)通過刮刀前刀面向上和向兩側連續進行擠壓開出切割槽使掌子面剝落,剝落的的渣土沿刮刀的前刀面向兩側滑落進入清渣槽,這樣使刮刀既具有切削的功能也具有裝載的功能。因此刮削刀具是一種以切割力和擠壓力來破碎軟巖土層的刀具,適用于表土層及軟巖層(一般小于40MPa)的掘進施工。在硬巖中也常有使用刮刀的時候,但此時的安裝要低于盤形滾刀一定的高度,主要是用來刮削滾刀切割下來的巖渣,對刀盤起保護作用,對巖石的破碎主要還是靠滾刀來完成的,只是為了把被滾刀破碎后的巖渣及時刮入清渣槽,以防渣土積聚磨損刀盤,如果只用刮刀則會迅速將刮刀磨損。2.3滾切類刀具及其切削機理(1)滾切類刀具的特點滾切類刀具是通過刀具的滾動來切割巖層的,所以人們又常常習慣稱為滾刀。它一般是通過刀框座和螺栓連接在刀盤上的,在工作過程中,它不僅要在刀盤的帶動下隨刀盤進行公轉,同時還要圍繞自身刀軸進行自轉,通過不斷的連續滾動對巖層進行切入、擠壓和摩擦,使掌子面上巖層逐漸剝落,完成對巖層的切割破碎。它是由多個零部件經加工后裝配而成的,不僅要求硬度高、耐磨性好,而且還要求密封性能好,承載能力大,主要用于巖石層的破碎。根據刀體和刀刃的形狀不同,滾刀可分為:錐形滾刀(又分楔齒滾刀和球齒滾刀)、盤形滾刀(又分鋼刀圈滾刀和球齒刀圈滾刀)。盾構掘進機刀盤上現在一般只安裝盤形滾刀,根據其在刀盤上安裝位置的不同,滾刀又分為:正滾刀、中心滾刀、邊滾刀等。各類型滾刀見下圖所示。(2)滾切刀具切削機理1)錐形楔齒滾刀的切削機理錐形楔齒滾刀主要以壓碎和剪切來破碎巖石。在掘進過程中,隨著滾刀體的轉動,各齒相繼作用于巖石.在各相鄰齒與巖層的交替接觸中,滾刀重心與巖面的距離發生周期性的變化,即滾刀對巖面的位能發生了周期性的變化,由此對巖石產生了沖擊和振動作用,有助于加速對巖石的破碎。楔齒滾刀的錐體的外錐開有若干齒列,刀齒一般與刀體做成一體(鑄齒或焊齒),根據掘進條件的不同,刀齒的齒尖角和齒高應作相應變化。原則上掘進地層越軟,刀齒應越尖越長;反之,則應采用短粗結構的齒型。刀體材料國外多用低碳合金鋼,施行滲碳淬火處理。國內多用中碳合金鋼,進行調質處理,為了提高牙齒的耐磨性能,楔狀刀齒上堆焊有碳化鎢等硬質耐磨材料或直接焊上鋼結硬質合金刀齒。楔齒滾刀的使用范圍一般用于掘進軟巖到中硬的巖層(巖層抗壓強度小于80MPa)。大多在小刀盤上布置采用。2)錐形球齒滾刀的切削機理錐形球齒滾刀的刀齒是鑲嵌于錐形刀體表層的硬質合金球柱(齒柱),這種齒柱是由粉末冶金制成,兩種主要的材料是碳化鎢和鈷,鈷是起粘結劑的作用,并控制壓入齒柱的物理性能(抗磨和抗彎)。還添加一些其他的微量金屬。壓入齒柱的抗壓強度根據不同巖層的使用條件約為2600-3100MPa,硬度一般為HRA80-90,齒形一端以半球面者居多,所以常稱球齒,也有錐形等其它形狀的(見圖2.2)。由于這些特點,球齒滾刀適用于鉆進硬巖地層,要求鉆壓值也比楔齒滾刀大得多。球齒滾刀是靠壓碎和研磨作用來進行破碎巖石的。其基本結構及布齒原則、滾刀體材質均與楔齒滾刀相似,不同之點主要在于齒形和其材質的不同。壓入齒柱的形狀和伸出刀體的高度可根據巖層條件的不同而有所不同。3)盤形滾刀的切削機理由于盤形滾刀本身的滾動,其磨損速度比刮刀要慢的多。加之刀刃較窄,在刀盤的相同推力下作用于巖石上的壓強要大的多,因而能破碎的巖石也比刮刀要硬得多,多數的沉積巖只用盤形滾刀就能充分破碎。現階段盤形滾刀主要用在盾構掘進機的刀盤上,故長期以來,盤形滾刀幾乎和盾構掘進機刀具成為同義語。小型的盤形滾刀(≤12〞)通常是把刀刃和刀體做成一體,一般是多刃的,有的刀刃上還鑲嵌硬質合金;大規格的盤形滾刀(一般為14〞—19〞)刀體和刀刃通常是分離的,可以拆裝以便于刀刃磨損后更換。人們習慣上又常把刀刃稱為刀圈,可更換的刀圈可以是鋼刀圈,也可以是在鋼刀圈上鑲嵌硬質合金。這要根據地層選擇,鑲嵌硬質合金的刀圈(也常稱為球齒刀圈)更適合特硬巖層的掘進施工。盤形滾刀的切削原理是當刀盤在縱向油缸的巨大推力作用下,使安裝在刀盤上的盤形滾刀壓入巖石;同時刀盤在旋轉裝置的驅動下給滾刀施加滾動力矩帶動滾刀繞刀盤中心軸公轉,在滾刀公轉的同時,由于掌子面對滾刀的摩察力作用,使滾刀還繞各自的刀軸自轉,這樣就使得滾刀在巖面上連續滾壓。刀盤施加給刀圈的推力和滾動力矩的結果是:推力使滾刀刀圈壓入巖體,滾動力矩使滾刀刀圈滾壓(剪切)巖體。通過滾刀刀圈對巖體的連續擠壓和剪切,使安裝在不同刀位的滾刀在巖面上滾切出一系列的同心園槽。(見下圖)滾刀滾壓巖石的破碎效果隨著推力的不同而不同。巖石的破碎一般分為三個階段:研磨、疲勞破碎和有效體積破碎。研磨:當滾刀受到的推力很小時,刀圈對巖體的擠壓力遠小于巖體的極限強度,巖體破碎是在摩擦力作用下引起的表面磨損。破碎的顆粒小,刀圈磨損嚴重,對巖體的破碎速度慢。疲勞破碎:當滾刀受到的推力逐漸增大,但刀圈對巖體的擠壓力仍小于巖體的極限強度,通過刀圈對巖體的多次碾壓下,巖層沿滾壓方向會分布一定的壓應力,巖體會沿壓力線產生疲勞裂紋,進而發生破碎。有效體積破碎:當滾刀受到的推力足夠大,刀圈對巖體的擠壓力大于巖體的極限強度時,刀刃貫入巖層使巖體產生內應力,迫使巖體產生跳躍式的裂紋直接破碎,破碎塊度增大,破碎速度加快,并隨刀盤軸壓的增加而線性增加(但受其它條件的制約,軸壓不能無限增大)。巖面被盤形滾刀擠壓破裂而形成多道同心圓溝槽。隨著溝槽深度的增加,巖體表面裂紋加深擴大,相鄰同心圓溝槽間的巖石成片崩落.完成盤形滾刀的破巖過程。該工況下破巖速度快刀圈磨損小,巖石破碎過程所消耗的比能也小。實際掘進過程中,破巖效果和刀盤推力、滾刀刀圈間距、刀圈刃口型狀、巖層特性等有關,很難完全達到最佳的體積破碎,往往是各個階段都有。此外,在掘進過程中,盤形滾刀在刀盤上的運動除繞刀盤中心的切向圓周公轉、滾刀自轉和沿掘進方向的切深擠壓運動外,還有沿刀盤徑向的滑移運動,且在同樣轉速下半徑越小滑移越大,因此滾刀正常情況下磨損最嚴重的部位是滾刀靠近刀盤中心的內側刀圈,滾刀受到巖層的側滑力的方向是沿半徑背離刀盤軸心方向。二、盾構掘進機刀具的選用對于不同地層的掘進施工,應采用不同型式的刀具。在確定掘進刀具形式之前必須對施工地層進行勘察取樣與試驗,制定出詳細的地質報告,一般地層都是以組合地層條件出現的,海瑞克常用刀具安裝示意圖也有單一地層的情況,然后根據地層的分布特性和巖石抗壓強度選擇刀具。<1>選擇刀具一般應遵循以下原則1、1根據經濟性選擇刀具(1)掘進速度快、效率高;(2)單位進尺刀具消耗費用少;(3)盡可能適應多種地層掘進要求;種類少,備件費用低:(4)掘進單位進尺動力消耗少,綜合費用低;1、2根據地層條件選擇刀具對于軟土層來講是比較好選擇的,只要耐磨性好、排渣好的刮削刀具一般就能滿足需要;對于巖石地層,則主要考慮巖石的如下特性(1)巖石的強度巖石的單軸抗壓強度是影響掘進效率的關鍵因素之一。一般盾構掘進機最適合掘進抗壓強度為40-150MPa的巖層。刀具的費用部分地取決于巖石的強度。目前計算刀具費用最常用的標準是巖石的抗壓強度。在較軟巖石中,抗壓強度是一種較可靠的衡量標準。但在中硬巖石中,巖石的抗壓強度與實際可破性往往不成正比。這是由于某些中等抗壓強度的巖石有彈性或韌性。在掘進過程中,它對掘進的阻力大于巖石抗壓強度所表示的阻力。彈性表現為巖石的韌性,當刀具壓入時,巖石變形而不碎成巖渣。在這類巖石中掘進,其困難程度大于抗壓強度雖然大但其脆而易碎的巖石。世界各地都在研究,尋求能表示巖石可破性的可靠指標。但地層往往是復雜的,刀具的選擇一定要考慮其復雜性。(2)巖石的耐磨性選擇刀具還必須考慮的第二個因素是巖石的耐磨性。巖石的硬度和耐磨性越高,刀具消耗和施工成本就越高,造成停機換刀次數增加,影響掘進速度,在相對不耐磨的巖石中即使抗壓強度很高,采用盤形滾刀或楔齒滾刀往往效果很好。反之在耐磨性大、抗壓強度小的巖石中往往要用硬合金球齒滾刀,以免頻繁換刀造成停工。(3)巖體的結構面發育程度巖體的結構面發育程度即巖體裂隙化程度與掘進效率有很大的關系。抗壓強度、硬度、耐磨性相同或相近的巖體,若結構面發育程度不同,掘進機的掘進速度的差異明顯。由于各種刀具的結構型式、破巖機理和破巖部位地質的不同,每一種刀具只能適應于一定的掘進地層。表3.1是美國瑞德公司推薦的幾種刀具的使用范圍。(4)復合地層刀具的選擇對于地層條件不一致的復合地層,如沙卵石地層,土層、膠泥層以及巖石層等層疊分布的地層,施工和選擇刀具都是有一定困難的,這時一定要綜合考慮各種地質特性,選用部分既要能適合土層、膠泥層掘進的刮刀,也要選用一部分能對付巖石層的滾刀,并交錯布置刀具,互相能夠補償,充分發揮其應有的潛能。在刀具制造時,也要采取相應的措施。如在刮刀制造時充分考慮其耐磨性,在刀具的結構形式上既要有利于刮削,也要有利于幫助滾刀清理巖渣和膠泥團的刮刀;在滾刀制造時,既要考慮破巖的需要,有足夠的強度和硬度,又要考慮沙卵石地層對滾刀的磨損,在刀體外表面和刀座外表面堆焊耐磨材料或其它耐磨措施,防止過早磨損失效,同時還要控制滾刀的啟動扭矩不要過大,以免滾刀在通過沙卵石層和土層時不能自轉,產生弦磨破壞失效。<2>刀具的結構特點與設計制造刮削刀具和滾切刀具是盾構掘進機最常用的兩大類刀具,現分別簡單介紹一下其結構特點和設計制造過程。2、1刮刀的性能結構特點及設計制造刮刀的主要性能是刮削較軟土沙層和巖渣,其結構形狀可以根據地層條件設計成各式各樣,但都是由刀座、刀體和刀刃三部分組成的,刀座是與刀盤連接的部分,與刀盤的連接有焊接的如先行刀、也有螺栓連接的如邊刮刀和鉸接的如正面切刀,替換滾刀部位的正齒刀或切刀與滾刀的安裝方式相同。刀座有的是與刀體制成一體的,有的是與刀體焊接的。與刀體焊接的刀座材料一般是低碳低合金鋼。刀體對硬質合金刀刃起支撐和保護作用,要具有足夠的強度和耐磨性,通常選用中碳合金鋼或空淬鋼,使硬度達到HRC40以上,也常常采用表面硬化技術或局部堆焊耐磨層;刮刀刃是刮刀刮削巖土和保護刀體不被磨損的關鍵部位,通常是用硬質合金做成的,其硬度一般在HRA83-88之間,硬質合金的牌號及其大小和形狀根據安裝部位、預期作用、和地層進行設計。刀刃與刀體的的連接是關鍵的,具體工藝有釬焊、鑲嵌和鑲焊,連接強度要求大于250MPa2、2滾刀的性能結構特點及設計制造(1)盤形滾刀的性能結構特點我們知道盤形滾刀的主要性能是用來破碎巖石的,必須具有良好的滾壓破巖和剪切的功能,適應各種地層和巖石條件。盤形滾刀的刀圈是易損件,因其消耗量大,價格也較貴,應能在工作現場進行更換,以提高其使用價值,刀圈的斷面幾何形狀根據巖層條件變化可有多種選擇。滾刀的內部零件與其切削刀圈同樣重要,性能優良的軸承和軸系零件以及性能可靠的密封、潤滑,可以提高滾刀的承載能力,延長使用壽命。較好的刀座結構便于滾刀在刀盤上安裝拆卸,安全可靠。所有這些都是設計時應當加以考慮的。盤形滾刀有大小各種規格系列,現在常用的一般為17〞系列滾刀,現以17″盤形滾刀為例將其結構性能特點及設計制造過程說明如下:1)17″盤形滾刀技術性能指標:滾刀直徑17”(432mm)滾刀承載能力30噸/把滾刀適應地層條件30—200MPa滾刀啟動扭距30—70N.m2)17″盤形滾刀結構特點:滾刀分為正滾刀、邊滾刀、中心滾刀等。根據地質條件的差別,有單刀圈滾刀和多刀圈滾刀。其內部結構如上圖所示。它們主要由刀圈、刀體、刀軸、圓錐滾子軸承、金屬浮動密封環、刀蓋(座)及聯接螺栓等件組成。目前不論其規格大小和安裝部位的不同,盤形滾刀的內部結構均采用背對背安裝的圓錐滾子軸承組合、油浴潤滑、金屬浮動密封環密封形式。根據安裝方式的不同,滾刀刀蓋和刀軸軸頭有不同形式。根據地層和刀具種類的不同,刀圈的厚度從57.2mm—80mm不等,刀圈的內孔尺寸各公司也有差別,刀圈刀刃也有不同形狀。(2)盤形滾刀主要件的設計制造在滿足滾刀安裝正常、選用適合地層的條件下,影響滾刀使用壽命的四大關鍵是刀圈、刀體、軸承和密封的制造質量及其裝配質量。現將這幾種零件的制造和裝配過程介紹如下:1)刀圈的制造滾刀刀圈是影響滾刀使用壽命的關鍵,其制造質量不好會因過早磨損,斷裂而降低整刀壽命。刀圈直徑采用目前國內外流行的17吋(432mm)尺寸。刀圈的斷面形狀對破巖影響較大,目前刀圈刃部的輪廓線已趨于流線型,通常刀圈邊緣半徑R=3-4mm。滾刀刀圈材料有兩大類:即整體合金鋼刀圈和鑲硬質合金齒的刀圈。(見下圖)整體合金鋼刀圈材料主要以熱作模具鋼為主,硬度一般在HRC54-58之間,它的特點是可以承受較大的沖擊載荷,并具有較好的耐磨性能,刀具制造費用相對較低,適用于中硬巖層條件破巖做業。合金球齒刀圈是在合金鋼刀圈基體上鑲嵌硬質合金柱齒,硬質合金柱齒頭部呈球狀,硬質合金硬度為HRA85-88。一般情況下,抗壓強度超過150Mpa的堅硬巖層采用球齒刀圈進行施工,能很好地解決刀圈硬度(主要是合金球齒硬度)和韌性(刀圈基體的韌性)的矛盾,因為合金鋼刀圈在提高硬度增加其耐磨性的同時會增加脆性、降低韌性而使其強度降低,容易使刀圈崩裂,球齒刀圈能很好的解決這個問題,其壽命是鋼刀圈的2-5倍,比較適合安裝在邊滾刀和超挖刀等耐磨性要求較高的刀位,但制造成本較高。根據刀圈的工作條件,刀圈材料應滿足以下性能:a)高的屈服強度,減少刀刃端在高應力下壓潰變形;b)良好的沖擊韌性,提高材料裂紋擴展功,防止刀圈斷裂;c)足夠高的硬度,增加耐磨性,減少刀圈磨損;d)良好的抗回火性能,提高材料的熱穩定性,保證刀圈在熱裝和滾壓巖體過程中不降低硬度。e)良好的熱加工和冷加工的工藝性能,材料成本低,制造方便,提高產品合格率。2)滾刀密封特性及制造:密封可保存軸承潤滑劑并防止外來物進入,對保證軸承正常工作和延長工作壽命是十分重要的。金屬浮動密封環屬于機械端面密封的一種,非常適用于滾刀作業的復雜多變的地層工況條件(使用環境惡劣,且有一定的外部介質壓力,其載荷具有低速重載和沖擊性的特征)具有一定的承壓能力以及良好的密封性能和較長的壽命。這種密封由兩個嚙合的經過硬化處理的合金鋼或高鉻鑄鐵密封環和兩個富有彈性的復曲面橡膠圈組成。用復曲面橡膠圈調整密封環位置,因它有浮動能力,可以補償裝配端面間隙或防止偏斜。復曲面密封圈使金屬密封環端面壓力恒定。當空間有限而采用短滾刀時,可采用改進型浮動端面密封。(此時采用一個復曲面橡膠圈,一個金屬密封環,一個精加工過的滾刀零件端面)。金屬密封環是密封件中的主要零件,其結構及質量的好壞起決定性作用。金屬密封環采用高硬度的耐磨、高鉻鉬的鑄鐵材料,硬度HRC60-65,工作表面粗糙度Ra≤0.1um,表面平面度≤0.0015mm。這種金屬密封環的特點如下:a)采用3.5度導油斜面及小曲率半徑球面環與平面環結構,有利于形成油膜,以保證軸承潤滑油不泄漏及阻止泥土進入軸承腔;b)采用高光潔度及高硬度工作面,使之貼合良好,減少了摩擦阻力,提高密封性能;c)加厚了密封環的尺寸,提高了結構強度;d)浮動密封環采用的0型橡膠圈,是按刀具工況要求,研制的專用橡膠件(P118及P229膠料),使用效果良好;與普通橡膠相比,具有可壓縮性大及回彈性好等特點。即使在外界巖土的沖擊中,也始終對金屬密封環施加壓力,讓金屬環工作面始終接觸,保證軸承潤滑油不泄漏并阻止泥土進入軸承腔,起到密封效果。3)滾刀軸承結構特性滾刀軸承大都采用美國鐵姆肯公司生產的圓錐滾子軸承作為滾刀的軸承,這種軸承選用滲碳淬火鋼制造,表面有很高的硬度,芯部有很高的強度和韌性,這類軸承要求具有以下的優點:a)能同時承受徑向載荷和軸向推力;b)就相同的軸承尺寸而言,相對壽命更長;c)就相同的承載能力而言,尺寸較小。d)調節性能好:不管是軸向游隙還是預加負荷,均能按設計要求調到最佳性能;e)其錐型結構固有的自動移油特點,能從滾道接觸區域排除任何微粒沾染物,大大降低了受工作環境污染物的影響;f)與其他類型的滾子軸承相比,因其純滾動效果較,摩擦系數減少,磨損速度慢,使用壽命長;g)由于其內外滾道可分離,安裝和拆卸十分簡便;另外軸承載荷的變化對軸承的壽命是有很大影響的,例如一個軸承在18144公斤的壓力下,轉速為120轉/分時,按設計理論計算軸承壽命為564小時,而當載荷減少50%時,軸承壽命可延長至5684小時,提高到十倍以上。4)刀體、刀蓋的制造刀體是滾刀的主要受承載力的零件,它支撐著刀圈進行破巖切削,同時又保護著滾刀內部的軸承和密封進行正常的運轉,既要有足夠的強度承受來自刀盤和掌子面的擠壓力,又要有較高的耐磨性來應對刀圈破碎下來的巖渣的磨損;刀蓋是浮動密封的保護支撐體,同時又起到壓緊軸承調節滾刀啟動扭矩的作用,兩者材料一般選用42CrMo材質的鍛件,并經兩次熱處理,使硬度達到HRC40-45,對于有的沙卵石復合地層,為了提高刀體的耐磨性,還在刀體上堆焊碳化鎢等耐磨材料,保證其滿足特殊地層的耐磨性需要。5)滾刀的裝配滾刀的裝配環節是保證滾刀的綜合性能的關鍵過程之一,要保證各個配合尺寸的過盈量符合設計要求,保證所用軸承的預緊力的調整,并仔細檢驗所用密封是否存在劃傷等缺陷,進行密封試壓檢驗,加足潤滑油,并根據地層條件調整好滾刀的啟動扭矩。硬巖時啟動扭矩要大一些,軟巖時啟動扭矩要小一些,以防止滾刀不轉而出現弦磨,造成滾刀過早損壞。滾刀扭矩一般在30N.m---70N.m之間。6)潤滑的要求因為金屬浮動密封環需要配合以油浴潤滑,故采用圓錐滾子軸承制造廠家推薦的車輛齒輪油(GL-5),它具有如下特點:a)良好的抗磨性。能在被潤滑表面形成牢固油膜,以防止軸承和浮動密封環高工作壓力區表面擦傷和膠合。b)良好的抗氧化安定性,以適應在苛刻條件下長期使用,而不易氧化衰變。c)良好的抗泡沫性,在保證操作條件下,劇烈攪拌過程中產生的泡沫少,并易于消滅。d)良好的防銹性能,以保證被潤滑表面不產生腐蝕和銹蝕。此外,稀油潤滑的充滿性和排氣性好,也有利于滾刀使用。三、刀具的使用、維修與管理<1>合理布刀不同的工程地質條件應采用不同的刀盤結構形式和布刀方式及刀具組合類型。布刀是否合理將直接影響施工效果、掘進速度和項目效益。在設計刀盤時刀具布置應考慮以下幾方面:(1)按施工技術特點布刀為保證施工操作安全可靠,首先應考慮以下幾點1)使刀盤受力均衡、振動小、運轉平穩;2)刀具覆蓋整個斷面3)不得引起巷道偏斜;4)方便排除渣土;5)便于裝拆和檢查修理。(2)按刀盤各區工作特點布刀:根據刀盤上三個性質不同的區域(中心區,正面區及邊緣區)的工作特性,布刀時一定要充分考慮其分布特點。1)中心區特點該區是刀盤的中心,特點是位置小,滾刀的轉彎半徑小曲率大,所以滾刀以扭轉滑擦為主,滾刀徑向受力和軸向受力都比較大,在小刀盤上常安裝單支點中心刀以減少中心刀的滑動磨損。大刀盤的中心刀承受的刀盤推力較大,常用同規格的雙刃盤形滾刀,內部安裝四列軸承來滿足其受力需要。中心滾刀與正滾刀的主要差別是:安裝方式不同:盤形正滾刀是單個安裝在刀盤上,其刀座是固定在刀盤上的;盤形中心滾刀一般是安裝在刀架上,成組安裝,靠兩端楔塊軸向壓緊和螺栓連接,對裝配尺寸精度要求更高。結構形式不同:盤形中心滾刀在設計時受到空間限制(硬巖時刀間距不能太寬),又要承受較大的壓力,一般常做成雙刃滾刀,裝配四列軸承來滿足受力要求。有的密封形式也不同:有的中心滾刀在刀體上留不出單獨安放浮動密封環的位置,這時還須在刀體兩端直接作成密封帶,與兩端刀蓋上安置的金屬浮動密封環配對實現密封。例如TBM880E所配的中心刀就是這種結構。2)正面區特點該區處于中心區和邊沿區之間,工作時刀具正對著掌子面,有一定的轉彎半徑,大部分滾刀是以純滾動工作為主,又有足夠的布置空間,所以該區布刀容易,一般常把滾刀和刮刀配合布置,刀具使用壽命也長。在硬巖中掘進時,正面區布刀應盡量使各刀具磨損均勻、盡量使滾刀純滾動,這時無論是軸承壽命還是刀圈壽命都會很高。3)邊緣區特點該區位于刀盤的邊沿,其刀具不但承擔的破巖量大,且刀具受力復雜,自轉的速度也較高,還要保證開挖直徑,所以邊緣區布刀是刀盤布刀的關鍵,常常布刀量比較多,有些公司還對刀圈形狀和刀體進行特殊設計,并制做成專用邊滾刀或邊刮刀,以滿足施工需要。(3)布刀間距和數量1)布刀間距在給定地質條件下,刀間距是和刀具對掌子面的推力有關的,刀具推力越大,相對刀具的切深就越大,在硬巖情況下,刀間距大約是刀具切深的10-20倍,一般刀間距在60-100mm,在靠近刀盤中心間距大一些,在靠近刀盤邊緣刀間距小一些。試驗表明,當減小刀間距時,獲得一定掘進速度所需的刀具推力將下降。這意味著在巖石非常硬的情況下,維持每把刀推力不變,通過減小刀間距,可以增加掘進速度,但是相應要求增加掘進機總推力,并產生更小的碎石渣。而碎石渣愈小,切削巖石要求的比能耗愈大,開挖過程的經濟性就愈差。因此在刀盤布刀間距設計時,要綜合考慮地質特性和效率的關系。2)布刀數量布刀數量的設計基本上取決于以下幾個因素:a)鉆孔直徑;b)巖石性質;c)刀盤總推力;d)盤形滾刀尺寸;盾構掘進機刀盤通常每圈布置一把滾刀,當刀盤直徑(掘進孔的直徑)較大時,在布刀半徑較大的邊沿區由于施于巖面上的滾壓頻次減少,刀間距應減小,并且每圈的布刀數量要增加,應盡量使各刀具切削巖石的負荷平衡,磨損均勻,如邊滾刀在8米以上的大刀盤上以均勻布置3把以上為好,布刀數與開挖直徑成正比,刀盤直徑越大,布刀數量越多。刀盤的回轉速度在理論上是以邊滾刀轉速每分鐘<100轉為計算基礎的。刀盤回轉速度n用以下近似公式表示:n=100d/D,式中:D--鉆孔直徑,d--為滾刀直徑。一般的講,在給定地質條件和刀具推力的情況下,刀盤直徑越小,刀盤轉速可以相對提高;滾刀直徑增大,刀盤轉速可以相對提高;刀盤直徑(掘進孔徑)越大,所選盤形滾刀的直徑也應越大。另外布刀數量還與巖石特性和刀盤推力有關,當巖石較硬且刀盤推力較大時,適當增加布刀數量,有利于避免瞬間巖石物理特性的差異而造成單個刀具載荷過大失效,并引起其相鄰刀具的加速損壞。<2>合理使用刀具(1)建立刀具檔案在每一工程掘進施工開始時,就對每個刀位的刀具建立檔案,記錄安裝日期,掘進進尺,更換的時間,修理時更換的零件及日期,修理內容等,同時記錄相鄰刀具的更換狀態和相鄰刀具高差,盡量按標準更換和按時更換,只要規定的使用壽命到期,外觀還沒有完全報廢也應更換,避免刀具內部帶病使用,一個周期不到就提前損壞,給相鄰刀具帶來超負荷使用造成損壞,甚至造成刀盤磨損。(2)制定科學的換刀計劃刀具的壽命在掘進施工過程中因地質條件的變化而變化,每項工程的施工過程中,其刀具的耐用度是不同的,在一項工程開工后,應根據工程地質報告和在初期掘進過程中采集裝置采集到的各種掘進參數進行分析,(與刀具磨損相關的參數包括:掘進速度、總推力、刀盤總扭矩、刀盤轉速、進尺等)通過參數分析,預測刀具的磨損狀況,統計找出能反映刀具變化的一個合理周期,制定出科學的換刀計劃,盡可能做到主動進行換刀,避免被動換刀,也就是在施工整備時間內換刀。這就要求準確判斷刀具狀態,既不盲目更換,增加刀具消耗,又力求減少在掘進施工中出現刀具漏油、軸承損壞、刀圈偏磨、斷裂、螺栓斷裂或松動等不允許存在的故障現象,從而減少掘進中被迫停機進行刀盤檢查和刀具更換的現象。(3)正確使用刀具,減少消耗首先除嚴格控制裝機刀具質量,保證進洞的上機刀具都符合刀具相關標準外,做到正確使用刀具也是減少刀具消耗的重要因素之一,應從以下幾方面考慮:1)合理使用刀圈,在掘進施工中,刀圈的使用量大,且價格比較貴,據統計隧道掘進硬巖施工中刀圈費用占刀具費用的30%左右,因此,使刀圈得到充分利用,盡可能使每個刀圈的實際磨損量大于允許磨損量的90%以上,是減少刀圈消耗的重要條件,這就要求在掘進時充分保證每把滾刀的負荷平衡,不偏載,不偏磨,刀盤推力適宜才能保證刀圈的充分利用。2)合理使用軸承充分發揮軸承的使用壽命。現在盤形滾刀使用的軸承大都是進口美國鐵姆肯公司生產的錐面滾子軸承,價格昂貴,軸承消耗量大,在TBM硬巖掘進施工中,據統計刀具軸承費用占刀具消耗費用的15%左右,按國外滾刀有關技術規程,刀具軸承的使用壽命為564小時,前已述及,適當減小軸承負荷,可以大大提高軸承壽命,因此要適當控制軸承負荷,使其與其它相關刀具零件處于相當的經濟壽命,能夠減少軸承的消耗。3)合理使用密封滾刀內部的金屬浮動密封,由于其結構特點是成對使用,工作過程中自動形成滑動密封副,具有不可重復拆裝使用的特性,也造成了浮動密封的消耗量大,也由于其價格相對較貴,其費用占刀具費用的比重也較大,據統計在硬巖掘進施工中,刀具密封費用占到了刀具費用的10%左右。因此合理使用浮動密封,保證浮動密封的潤滑效果,提高刀具裝配維修質量,使刀蓋給浮動密封施加的壓力適當,這都有利于充分發揮密封的使用壽命,也是較低刀具費用的重要途徑之一。4)合理使用刀體、刀蓋刀體、刀蓋在刀具使用中不能算易損件,但這幾種零件相對較大,造價也較高,使用中往往發生不同程度的不正常變形損壞,這主要和工程地層條件關系較大,根據項目地質情況,由刀具提供廠家有針對性的改進這些零件的材料和熱處理性能,提高其適應性,同時對這些損壞零件制定出正確的判定標準和檢測方法,進行恢復性修理,也能減少這些零件的消耗。5)加強規范操作,減少事故性刀具損壞經對有的工程施工調查發現,有時為了提高效率趕工期,加大推進力和提高刀盤轉速,特別是在不均勻地質段推進過快等原因,或者是地層不穩,應采取防范措施而未采取,造成刀具的意外損壞的情況也時有發生,這時損壞的刀具往往不是一把,而是多把,有時甚至很嚴重,難于修復。加強規范操作和施工管理,也能減少事故性刀具的損壞。(4)刀具的定期檢查刀具在掘進施工過程中因地質條件的變化,其刀具的耐用度是不同的,在一項工程開工以后,應根據在初期掘進過程中制定的換刀計劃和掘進參數,預測刀具的磨損狀況。也就是利用掘進機上配備的數據采集裝置采集與刀具磨損相關的參數進行分析,通過分析掘進速度或刀盤總扭矩的理論值與當前實際值之間的偏差值來判斷刀具的磨損狀況,在換刀計劃之內統計找出一個能反映刀具變化的合理周期進行刀具檢查(這個周期一般比換到計劃周期短,也應在施工整備期內進行),可以實現在施工過程中及時發現刀具的磨損狀況,對還沒有達到換刀計劃周期但已經磨損或失效的刀具及時進行更換,以免導致刀圈超量磨損、斷裂、軸承異常損壞甚至引起相鄰刀具的損壞,造成嚴重事故的發生。<3>刀具的常見失效形式及維護修理(1)刀具常見失效形式1)刀具正常磨損滾刀在進行掘進時,掘進進尺速度與其刃口寬度有關。隨著滾刀刀圈磨損量的增加,刃口寬度隨之增加,達到一定范圍時會影響掘進速度,由于受到刀圈加工工藝的限制,而且新裝刀圈與齒刀之間有一定的高差(各刀盤設計的高差值不同),所以當正滾刀與中心刀最大磨損量為達到與齒刀規定的高差時為正常磨損,而邊緣滾刀則因隧道直徑差及所處位置的要求,其磨損極限一般為15mm。正常磨損是刀具失效的主要形式,其磨損形狀為在刃口寬度范圍內磨損較均勻,不偏磨、不弦磨。2)刀圈斷裂滾刀在沙卵石不均勻地層施工時,滾刀不易實現純滾動,造成滾刀時轉時不轉現象,容易發生刀圈沖擊使刀圈斷裂;而在掘進過程中由于巖石硬度突變或刀盤其他部件(如齒刀等)脫落卡在刀刃與巖壁之間,會導致刀圈局部過載而使刀圈應力集中、發生斷裂;有時刀圈與刀體配合過盈量過大或者硬度太高受到巖石沖擊也會造成刀圈斷裂。3)軸承損壞施工過程中,有時會發現刀圈被磨成一條或幾條弦,稱之為偏磨。這主要是由于刀具軸承損壞不能靈活轉動造成的;在掘進過程中刀具出現偏磨而未及時發現是非常危險的,一把刀由于偏磨而失效會造成相鄰兩把刀過載而失效,從而迅速向外擴展,直至整個刀盤上的刀具全部失效,另外滾刀啟動扭矩過大也容易造成滾刀時轉時不轉現象,使刀圈發生偏磨,所以在掘進過程中應及時觀察出碴情況,一旦出現長而寬的石碴時,應立即停機檢查。造成軸承損壞的原因主要是由于軸承過載或刀盤冷卻系統不良而使軸承過熱抱死,或因刀具密封損壞漏油而未及時發現,造成軸承潤滑不良損壞也會使刀圈偏磨而失效。4)刀具漏油絕大多數漏油刀具的軸承因無法潤滑而失效,軸承外圈大多已點蝕成麻面或發藍,同時刀具的浮動密封已失效,極個別的刀具為注油孔漏油。引起漏油的原因主要有以下幾方面:a)由于巖石條件急劇變化(多為較發育的破碎巖層)或換刀不合理(相鄰刀具的磨損量相差較多),造成個別刀具過載,使刀具軸承的承載面點蝕剝落,剝落的金屬碎片及顆粒使密封失效。b)由于刀盤冷卻系統不良而使軸承及潤滑油溫度過高,浮動密封面燒傷使密封失效。C)強度較高的大石塊或崩斷的正面齒刀、邊緣刮刀刀齒擠卡在刀具端蓋密封處,使其受擠壓變形引起滑動密封失效。d)刀具軸承及浮動密封的壽命已達極限。e)刀具在裝配或修理過程中刀具內混有雜物引起浮動密封面劃傷失效。5)刀圈剝落由于刀圈在滾切巖石過程中,刀圈受力較大,表面磨損產生疲勞裂紋并逐步擴展導致微觀斷裂、磨損剝落。從刀具檢查情況來看,一般刀圈的剝落塊狀較小,不影響刀具的正常運轉。6)刀具安裝螺栓松脫、斷裂由于在掘進施工過程中破碎巖石的力量較大,特別是在硬巖掘進時更大,震動也比較厲害,常會引起刀具連接螺栓松脫、斷裂,引起刀具損壞以致無法掘進。(2)刀具的維護修理1)制定科學完善的刀具管理制定一個大的項目,刀具種類很多,首先要建立完善的刀具臺賬,做到每把刀具都有據可查,記錄每把刀具的來龍去脈。加強對刀具的庫存質量監管,使其保持良好的質量狀態,保證出庫刀具的性能質量完好。2)制定正確的刀具檢查標準、修理工藝刀具的檢查標準分兩種情況,一種是對舊刀的檢查標準,要制定出詳細檢查標準,什么樣的刀具可以修理,什么樣的刀具沒有修理價值,應當報廢;另一種是對修理刀具的檢查標準,什么樣的刀具修理的是合格的,什么樣的刀具修理的是不合格的,都要有詳細的界定標準。刀具的修理工藝也是比較關鍵的,一般都由專業人員制定,修理方法得當,修出的刀具質量就有保證,修理方法不當或不仔細,沒有達到質量要求,修出的刀具使用壽命就會差很多。3)配備必要的資源盾構掘進機刀具修理是很專業的工作,必須配備必要的設備和工具,同時要由受過專業培訓的人員擔當,才能很好的完成此項工作,必要時修刀人員應到刀具供方廠家進行培訓學習。4)刀具的修理刀具的修理主要是指滾刀的修理,刮削刀具一般不具備可重新修復條件,這里不再敘述。滾刀的修理主要有以下幾個環節。a)刀具修理前的檢查刀具在修理前將刀具清理干凈,徹底進行沖洗,安放在專用工作臺架上,應仔細檢查刀具的損壞情況,確定出刀具修理部位和修理方案,制定出詳細的修理工藝,根據各個項目的資源配備情況進行修理,必要時返回刀具廠家修理。b)刀具的解體根據刀具的修理方案和修理工藝,仔細將刀具各件進行拆分解體,然后再對解體后的刀圈、刀體、刀蓋、刀軸和軸承密封等進行仔細檢查,確定各件的修理方案,能修則修,不能修的報廢。c)刀具的裝配刀具在修理過程中,刀具的裝配是關鍵環節,裝配質量控制的好,其使用效果能象新刀一樣,若裝配質量控制不好,掘進施工中會很快出現問題,影響相鄰刀具的正常使用,特別要注意以下幾個關鍵裝配環節。刀圈的更換在更換刀圈是要注意清潔刀體安裝面和刀圈安裝面,并檢查配合的過盈量,要符合設計要求,刀圈的加熱溫度要控制好,溫度過低刀圈漲量不夠裝配困難,溫度過高冷卻后刀圈收縮量大容易斷裂。確定軸承內套隔圈的寬度刀具在裝配過程中其軸承內套隔圈的寬度尺寸是非常關鍵的,寬了無法調整軸承的預緊力和滾刀啟動扭矩達到合適的要求,軸承容易串動,無法正常工作,窄了容易使軸承的預緊力過大,刀具使用中軸承容易抱死不轉動,使刀圈偏磨。浮動密封的裝配和試驗裝配時要特別仔細檢查浮動密封的結合面,不能有任何的劃傷缺陷存在,進行壓力試驗后才能裝配,這是因為浮動密封在使用中是金屬面對金屬面滑動摩察,全靠刀具內部罐裝的潤滑油形成油膜進行潤滑,一旦浮動密封面有劃傷存在,潤滑油會很快漏掉,造成軸承和浮動密封干摩察,刀具會很快失效報廢。滾刀啟動扭矩的調整前已述及,滾刀的啟動扭矩對刀具的影響是比較大的,裝配時要根據地層條件調整啟動扭矩,一定要滿足,啟動扭矩一般用扭力扳手測定。刀具的標識與記錄裝配修好的刀具要及時進行標識和記錄,在指定區域存放待用。(3)刀具發展趨勢1)國產化隨著刀具制造技術的不斷進步,刀具質量也會不斷得到提高。刀具的國產化律也會逐步提高,盾構刀具國產化是盾構施工發展的必然趨勢。現在國內已能成套提供大型盾構機系列刀具。2)盾構刀具大型化前已述及刀盤回轉速度n常用以下近似公式表示:n=100d/D,式中:D--鉆孔直徑,d--為滾刀直徑。可以看出回轉速度與刀具直徑成是正比的,施工中當然是希望刀盤轉速高一些掘進速度快一些,但它是受滾刀自轉和其它綜合因素制約的,不能隨意增大,又由于滾刀自傳轉速受浮動密封結構影響,也不能增大。因此在保持刀盤一定轉速時,刀具直徑越大,承載能力越大,而滾刀本身自轉速度不增加甚至還會降低,對軸承、密封和刀圈的使用壽命都會有所提高。結束語由于自己知識面有限,在這里只是把自己了解的情況給大家加以介紹,和大家共同討論,講錯的地方在所難免,請大家諒解。謝謝各位!

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