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1、精品完整版盾构机刀具刀盘的失效形式分析及预防措施毕业设计文件设计题目：盾构机刀具刀盘的失效形式分析及预防措施摘要：近年来，随着科学与技术的不断发展，人们对空间需求已经从地上逐步发展到地下，开发利用地下空间最主要的工具就是隧道挖掘机。盾构机是一种专门用于开挖地下隧道的大型成套施工设备，在城市隧道的开挖中得到越来越广泛的应用。刀具作为盾构机上最重要的部件，国内对它的设计研究尚处起步阶段。而刀盘是全断面隧道掘进机的设计关键，是影响其掘进性能的决定性因素。本论文对盾构机刀具和刀盘的选型以及失效形式分析及预防措施进行了研究，具体内容如下：研究了刀具的形式及配置分析，详细的阐述了刀具的磨损与耐用度，分析了

2、刀具的失效形式与管理。并对刀盘的型式、结构、功能与失效形式及预防措施进行了分析。关键词： 刀具 刀盘 失效形式 刀具磨损Abstract：In recent yeas,with scientific and technical progress,peoples demand for spacehas been gradually developed from the ground to underground,the most importanttool to exploit and utilize underground space is shield machine. The shield

3、 machine is one kind uses in excavating the underground tunnel specially the large-scale complete set construction，Excavates in the city tunnel obtains the more and more widespread application. The cutting tool takes on the shield machine most important part, Domestic to its design research still pl

4、ace start stage. However,Being acrucial factor in influencing the performance of shield machine，the cutterhead designis one of the key issues of shield machine. The present paper has conducted the research to the shield machine cutting tool and the cutter head shaping as well as the expiration form

5、analysis and the preventive measure, The concrete content is as follows: Has studied the cutting tool form and the disposition analysis, Detailed elaboration cutting tool attrition and abrasive resistance, Has analyzed the cutting tool expiration form and the management. Has analyzed the cutting too

6、l expiration form and the management.And to the cutter head pattern, the structure, the function and the expiration form and the preventive measure has carried on the analysis.key words：Cutting tool cutter-head Failure forms Cutting tool at 前言伴随着21世纪的到来，伴随着我国城市化进程的加快，城市建设快速发展，城市规模不断加大，城市人口急剧膨胀，许多城市不

7、同程度上出现了用地紧张，生存空间拥挤，交通堵塞，给城市生活带来了很大的影响，也制约着经济和社会的进一步发展。由于流动人口以及道路车辆的增加，城市交通呈急剧增长的态势，而道路的相对有限性带来了交通堵塞，车速下降、交通事故频繁等系列问题。行车难，乘车难成为市民生活和工作的一个突出问题。城市地下空间的利用和开发，已成为世界性发展趋势，并作为衡量城市现代化的标志。国际上不少学者提出“21世纪是地下空间开发利用的世纪”，城市向三维空间发展，即实行立体化的再开发，是城市中心区改造的唯一途径。地下空间的充分利用是城市立体化开发的重要组成部分。这样可以扩大空间容量，提高城市集约度，交通顺畅，环境得到有效改善。

8、工程实践方面，美国、瑞典、日本、加拿大、法国等国在城市地下空间利用率已达相当规模和水平。但是因为盾构机研制技术含量高、制造工艺复杂，目前世界上只有极少数的厂商掌握盾构机研发制造技术。我国大约有95的盾构掘进机依赖进口或合作制造，欧洲和日本等公司的铁盾构机基本上垄断了中国的盾构掘进机市场，而且价格居高不下。据业内人士分析，在北京广州、南京、天津等地的地铁隧道建设中，90以上的盾构都是从德国和日本公司购买的。目前，国内许多企业虽然也开展了盾构设备的研制和相关技术的开发，如：上海隧道股份限公司、铁道部隧道局、广重集团等单位自行设计和开发了适用的盾构掘进机和相关的施工技术，制造了多种形式的盾构。但国产

9、盾构仅能适用于周围环境要求不高和地质条件单一的地区，不适合建筑密集地区、管线复杂地区、地质条件复杂的地区。当环境要求高、破坏后治理费用大时，综合考虑费效比后，还是不得不花费大量外汇采用进口盾构。可以说，我国现代盾构掘进设备和技术的研制才刚刚起步，尚没有形成能针对不同地质条件和环境的要求设计、制造适用的盾构掘进机的能力。在目前我国盾构机发展技术不成熟，以及未来盾构机使用的巨大的潜在市场情况下，掌握盾构掘进设备关键部件的工作机理，进而实现国产化就显得尤为必要。 1盾构机刀具的失效形式分析及预防措施1.1盾构机的介绍盾构是一个具备多种功能于一体的综合性隧洞开挖设备,它集和了盾构施工过程中的开挖、出土

10、、支护、注浆、导向等全部的功能，目前盾构机已成为地下交通工程及隧道建设施工的首选设备被广泛使用。一盾构机的优点如下：1不受地面交通、河道、航运、季节、气候等条件的影响。2能够经济合理地保证隧道安全施工。3盾构的掘进、出土、衬砌、拼装等可实行自动化、智能化和施工运输控制信息化。4掘进速度较快，效率较高，施工劳动强度较低。5地面环境不受盾构施工的干扰。二盾构机的缺点如下：1盾构机械造价较高。2在饱和含水的松软地层中施工地表沉陷风险大。3隧道曲线半径过小或埋深较浅时难度较大。4设备的转移、运输、安装及场地布置等较复杂。盾构作为一种保护人体和设备的护体，其外形（断面形状）随所建的工程要求不同有圆形、双

11、圆形、三圆形、矩形、马蹄形、半圆形等。（如：人行道方形能最大限度的利用空间、过水洞马蹄形符合流体力学、公路隧道半圆形利用下玄跑车）。而因圆形断面受力好、圆形盾构设备制造相对简单及成本相对低廉，绝大部分盾构还是采用传统的圆形。为适应各种不同类型土质及盾构机工作方式的不同，盾构机可分为三种类型、四种模式：三盾构机的三种类型：1软土盾构机。2硬岩盾构机。3混合型盾构机。四盾构机的四种模式：1开胸式。2半开胸式（半闭胸式、欠土压平衡式）。3闭胸式（土压平衡式）。4气压式。软土盾构机适应于未固结成岩的软土、某些半固结成岩及全风化和强风化围岩。刀盘只安装刮刀，无需滚刀。硬岩盾构机适应于硬岩且围岩层较致密完

12、整，只安装滚刀，不需要刮刀。混合盾构机适应于以上两种情况，适应更为复杂多变的复合地层。可同时安装滚刀和刮刀。气压盾构是在加气压状态下的施工模式，即可用于泥水加压式盾构机，也可用于土压平衡式盾构机。1.2盾构机刀具的管理与维护1.2.1刀具的配置刀具的结构、材料及其在刀盘上的数量和位置关系直接影响到掘进速度和使用寿命。不同的地层条件对刀具的结构和配置是不相同的。一刀具种类：单刃滚刀、双刃滚刀、三刃滚刀（双刃以上的一般都是中心滚刀）、齿刀、切刀、刮刀和方形刀（超挖刀）。为适应不同的地层，滚刀和齿刀可以互换，所以它们的刀座相同。二刀具的破岩机理：分软岩切削机理和硬岩破岩机理。软岩切削机理是刀具对土层

13、的挤压所产生的剪切力来破坏土层而达到切削效果。硬岩破岩机理是利用硬质材料的易脆性质，采用滚刀的滚动对岩石挤压产生的剪切力和（冲击力）碾碎岩石的机械破岩方法。要实现连续破岩就要在滚刀上施加一个正压力和一个使滚刀滚动的水平推力。正压力是来自于盾构的推进力，水平推力是刀盘转动施加在滚刀轴上与开挖面平行的推力。所以滚刀破岩要想达到满意效果，必须满足两个条件：1工作面的岩层要有一定强度。2滚刀的启动扭矩要小。因为以下因素很难满足以上条件：1地质因素。2滚刀的制造质量及工艺。3滚刀质量一致性。4开挖模式问题。三刀具配置的差异性刀具配置的差异性表现在滚刀和刮刀的配置数量和高等级组合高度差等方面。刀具的高度差

14、及组合高度差对开挖的影响：1刀具高对防结泥饼有利2刀具的高度差大有利于破岩四滚刀与滚刀之间的刀间距。滚刀的刀间距也是影响破岩能力的关键因素。刀间距过大会在两刀之间出现破岩的盲区而形成“岩脊”。刀间距过小会将岩体碾成小碎块，降低破岩功效。目前，刀盘边缘部分的刀间距一般都小于90mm,正面刀具的刀间距一般在100mm,有的在115-120mm之间。1.2.2刀具管理的主要内容刀具的养、用、管、修是盾构机使用过程中不可忽视的重要程序。应当有计划、有反馈、有分析和总结，建立一个良性的、闭式循环的管理系统。这对于有效利用刀具、降低使用成本、减少施工风险和提高施工效率都有十分重要的意义。刀具管理的主要内容

15、盾构机刀具管理分为大、小两个闭式循环管理系统。大循环指刀具选用一具体操作一比较、分析一反馈一刀具选用的过程;小循环指测试一使用一检查、更换一修理一试验大循环是小循环的基础，小循环是大循环的具体体现。控制好大循环就等于把好了第一关，为小循环顺利的运行建立了良好的基础;控制好小循环做好具体工作，又能给大循环提供更多、更好、更及时的反馈，使大循环能及时、有效的调整，一切按着计划运行，避免了多余的投入，保证了成本的最小化。刀具管理流程与任何一项工作一样，盾构机刀具管理有特定的流程，如图1-2所示。图1-2 盾构机刀具管理流程测试盾构机刀具主要分为齿刀与盘型滚刀两大类。前者用于软弱地层及强度在20MPa

16、以下地层的开挖，后者适用于强度较高的地层。对齿刀而言，主要侧重于检查齿刀刀体结构，齿刀刀头的牢固性(齿刀刀头与齿刀刀体相连的方式主要有3种:焊接、螺栓连接与嵌入)，以及刀头上硬质合金的质量，多为目测。盘形滚刀除去目测刀圈有无裂纹、刀具有无漏油现象外，还需利用专用工具与刀具跑合装置来测试刀具的启动和刀具的气密性。若刀具启动扭矩过大，在较软、粘性较大地层掘进时，地层不能提供足够的扭矢巨使刀具转动而导致刀具弦磨;若启动扭矩过小，刀具轴承必然会松动，不利于刀具受力。因此检验刀具启动扭矩值是否符合厂家提供的设计要求至关重要。同时，刀具的气密性是检验刀具密封效果的指标，气密性不好，会导致刀具润滑油泄漏，最

17、终导致刀具轴承损坏。由子刀具在装配时轴承密封可能存在安装不到位或者有杂物进入的情况，从而导致刀具的气密性差，这种情况在刀具静止时不易发觉，只有在刀具运行时才能根据润滑油是否泄漏来判断。刀具使用掘进时采用的掘进方法决定了刀具的使用状况，选择合理的掘进模式。1.2.3延长盾构机刀具使用寿命的措施一刀具生产加工必须制定一套科学合理的制造工艺,刀具制造工艺是控制刀具质量的关键。二滚刀的制造盾构机滚刀完全按照掘进地质选用碳钢经表面渗碳处理,刀圈采用热煅一次滚压成型工艺,使刀具材料内部金相组织结构更加均匀致密,减少刀圈的断裂,同时在表面形成一定厚度的硬化层,具有高耐磨、抗冲击性能。选用优质热膨胀系数小的润

18、滑油脂,同时在刀具内部安装有润滑补偿装置,在一定温度变化范围内确保刀具的正常润滑与油脂的补充。经使用对比效果显著。由于滚刀在掘进过程中承受比岩石层抗压强度高8 MPa12 MPa,当岩石硬度超过60 MPa时,刀圈硬度HRC 6570,如果刀圈采用合金材料制造时,其内外硬度是一致的,具有较好的耐磨性,但抗冲击性能明显下降,不利于TBM的破岩。根据经验总结及材料机理分析,当岩石抗压强度达到或超过55 MPa时,刀具材料应选用高碳钢,表面采用高温气体渗碳达到相对硬度,形成外硬内软,具有较好耐磨性、抗冲击性能,而不适于选用合金钢作为刀圈制造材料或刀圈采用中碳钢表面镶嵌合金齿,以满足破岩性能的要求。三

19、刮刀的制造根据进口刮刀在使用中易造成变形,通过物化性能分析,刮刀基材为45中碳钢或20低碳钢加工而成,表面硬度HRC 2228,未作任何表面处理,因此在受到岩石或卵石冲击时极易产生变形。在国产刮刀生产时,做了以下制造工艺调整:材料由原来的低碳钢改为中碳钢,基材表面硬度HRC3236;在冲击面与棱角部位补焊0.250.32耐磨合金层。四合理选择刀具不同地质应选用不同材质、生产工艺的刀具,如果同一种刀具用于不同地质,刀具的使用寿命将会受到严重影响;在软地层掘进中要求刀具具有较好的抗磨性、硬度比岩石抗压强度高10 MPa15 MPa;在硬岩掘进中,要求刀具有良好的耐磨性、抗冲击性。五严格刀具加工与密

20、封刀具生产加工工艺对刀具使用寿命的影响,煅造与热处理工艺的影响最为重要,生产过程中工艺控制将直接造成金属材质的内部缺陷,在刀具受到冲击、振动、压力的作用下,内部缺陷将形成微小裂纹而不断延伸与扩展,最终造成断裂,控制好刀具生产工艺可以显著的提高刀具的寿命。同时刀具密封是影响刀具使用寿命的主要原因之一,由于密封的早期损坏,造成刀具轴承损坏与刀圈偏磨、壳体损坏及整个刀具总成的报废,选择正确的密封形式是保证滚刀寿命的一个重要因素。总之,盾构机施工在我国还处于刚刚起步阶段,随着经济的发展,会有越来越多的穿越工程选择盾构机形式,不管在何种形式的盾构机施工中,刀具研究技术一直是盾构机应用的关键因素。1.3刀

21、具的失效分类与刀具分布1.3.1刀具失效的分类城陵矶长江穿越隧道所用盾构从试掘进开始至今已掘进了2001m,共更换刀具36把,经过对损坏刀具的检查,发现刀具损坏主要有正常失效和非正常失效两大类。a.正常失效刀具磨损至极限已无法使用必须更换的刀具磨损。正常失效的刀具换下来后除刀圈磨损不能使用外,其它各部分均可正常使用。b.非正常失效刀圈没有达到磨损极限而因其它原因造成刀具损坏不能使用造成的失效。非正常失效主要有:刀圈断裂、弦磨挡、圈断裂、轴承损坏及卡死、轴承密封损坏。1.3.2各种位置上刀具的分布情况AVN2440DS盾构机的刀具在刀盘上的分布情况如图1-3所示图1-3 AVN2440DS复合式

22、盾构机滚刀刀具分布图中心刀:由4把单刃滚刀,安装在刀盘的中心位置,其刀号为1、2、3、4。正滚刀:六把双刃滚刀根据离刀盘中心由近至远依次安装在刀盘上,刀号分别为5、6、7、8、9、10。边滚刀:三把三刃滚刀根据离刀盘中心由近至远依次安装在刀盘上,刀号分别为11、12、13号,原设计方案边滚刀最早安装的是双刃滚刀,由于刀具失效频繁,后更改为三刃滚刀。切刀:共30把。刮刀:共6把。边刮刀:共6把(图中未能显示)1.4刀具失效的原因分析一刀具装配质量对刀具失效的影响在刀具零部件质量良好的情况下,影响刀具装配质量的主要因在因素是隔离圈的尺寸及刀盖与刀轴的连接螺栓的紧固力矩。1隔离圈尺寸的影响隔离圈主要

23、是对轴承内圈实行轴向定位,必须经过准确测量和精细加工，技术规范中规定；其尺寸精度达到0.01mm如果隔离圈尺寸过小,将造成轴承装配过紧,导致装配时冷卡死或使用中因温度升高而发生卡死现象;如发生热卡死现象,将造成刀圈弦磨(刀圈不转动而刀尖剧烈磨损,因而不能使用),使刀具温度进一步升高影响到轴承的密封效果，如果隔离圈尺寸过大,将造成轴承装配过松,刀体相对于轴承产生轴向移动,在侧向力的作用下使刀体向一侧发生失量位移,影响到轴承密封的使用效果。2刀盖与刀轴连接螺栓紧固力矩的影响刀盖的作用一方面是对过其凸台对轴承内圈实行轴向定位,另一方面是对轴承密封有一定的预压作用,保证密封的使用效果.技术规范中规定其

24、连接螺栓的紧固力矩为200Nm装配过松或过紧,不仅会产生像隔离圈尺寸对轴承密封一样的影响,而且会使轴承密封装配时预压力过大或过小,从而影响到轴承密封的效果。3刀具安装孔的影响刀具凸缘对刀具的正常使用有一定的保护作用,刀凸缘的过量磨损,将对刀具造成较为严重的损坏,特别是1113号三刃滚刀和其它高位刀。由于刀孔凸缘的过量磨损,使刀过多的伸出,石块将使刀体、刀盖快速磨损。刀具使用工况主要是指刀具在刀盘上的使用状况而言。二岩石的影响对于节理发育一般的软岩,掘进参数主要是小推力,大扭矩。此时刀具承受的侧向力增大,易造成刀体相对于轴承发生轴向移位,破坏轴承密封的原始密封壮态,从而使密封失效,导致刀具漏油,

25、造成刀具失效。对于节理很发育的破碎岩,在掘进过程中大量的块状岩石坍塌进而刀盘、刀具和岩面之间挤压滚动,即发生二次破碎。其结果一方面造成刀具承受的侧向力增大,促使轴承损坏;另一方面刀体被挤压变形,从而使轴承密封的支撑环断裂,导致密封损坏,造成刀具失效。三刀具选择不当及刀位的影响由于边滚刀安装位置的原因,刀盘每转动一圈,边滚刀运行距离相对于其它滚刀要长的多,因此原设计方案使用双刃滚刀造成刀具经常失效,后换用三刃滚刀,效果有明显的好转。高刀位刀具位于刀盘的弧形过渡区域,由于承受正推力的作用,将对刀具产生一个轴向力,致使刀具有轴向位移的趋势或导致轴承损坏,这是高位刀具容易发生刀具失效的一个主要原因。四

26、掘进参数对刀具失效的影响由于掘进参数选用不合理,造成刀承受过大冲击力,从而造成刀圈的断裂,这也是刀具失效的一个主要原因。1.5预防刀具失效的技术措施刀具失效往往不是单方面因素作用的结果,而是各种因素综合作用的结果,如何减少刀具失效的发生,综合以上原因分析,提出下列预防刀具失效的技术措施。1正确选用质量合格的零部件,制定合理的零部件磨损极限2制订正确的修刀工艺,使用前做好试验。3遵循正确的换刀规律,确保换刀过程的正确合理。4合理地选择掘进参数。1.6本章小结本章开头介绍了盾构机的基本类型及工作模式，主要研究了刀具的配置、管理与维护。最后着重对刀具的失效形式及预防措施进行了分析。并针对刀具失效的原

27、因提出了四点预防刀具失效的技术措施。2盾构机刀具磨损及耐用度分析研究2.1刀具磨损问题随着盾构法在国内的广泛使用，刀具磨损已经成为一个影响工程质量和进度的关键问题。在盾构施工中，刀具的磨损不可避免，但一旦刀具出现磨损后，若不能及时发现并将其更换，将会大大加速刀盘上其他刀具的磨损速率，当磨损过量时甚至会导致刀盘磨损，轻则造成掘出来的隧道直径偏小，使盾构推进困难，重则造成刀盘严重变形，最终使刀盘报废。刀具消耗严重，会带来刀具频繁更换、地层加固、换刀安全等一系列的问题，严重的影响了工程的顺利进行(图2-1，2-2)。但是目前盾构法施工刀具的切削机理、磨损规律还没有被我们完全掌握，刀具的跟踪检测水平不

28、够，刀具更换复杂困难、成本很高，进货周期很长，不但影响了整个工程的质量也会拖延工期。可见，掘削刀具的磨损是影响盾构法施工的一个急待解决的问题。图2-1 滚刀磨损示意图 图2-2 切刀磨损示意图2.2滚刀磨损状况和磨损相关因素2.2.1滚刀磨损的主要形式盾构法施工中，不同类型的刀具因用于不同的地层其磨损方式不尽相同。对于滚刀的磨损可以分为两大类：正常磨损和非正常磨损。滚刀的正常失效是指刀圈刃口宽度超过规定值(一般20mm)的均匀磨损，是刀具失效的主要形式，其磨损主要发生在相对比较单一、均匀的地层中。正常失效的刀具换下来后除刀圈磨损不能使用外，其它各部分均可正常使用。刀具的破岩效率与滚刀的刃口宽度

29、有关，滚刀正常失效时，随着刀圈磨损量的增加，刃口的宽度增加，当达到一定范围时会影响掘进速度，甚至不能再掘进。根据统计，对于滚刀来说，非正常磨损主要有：刀圈偏磨、断裂、刀圈移位或脱落、轴承破坏及卡死、轴承密封破坏等。一刀圈偏磨（图2-3）此种情况一般发生在较软的泥或岩层时，因为滚刀自身的启动扭拒较高，在刀盘转动的同时滚刀的轴承未发生转动，从而造成滚刀在开挖面上不能滚动，使刀圈呈现单边受力磨损。如果发现不及时，不但会加速这把刀的磨损，并且会造成相邻滚刀过载失效，从而迅速向外部扩张，直到整个刀盘上的滚刀全部磨损，严重的会加速滚刀轴承、刀盘、刀箱的严重磨损。第二种情况表现为在掘进过程中，盾构操作手在不

30、同的地层中没有控制好掘进的各种参数，在粘土地层中推进速度快、刀盘扭矩高，在没有改良渣土的情况下长时间掘进造成滚刀被泥土包裹不能转动，从而使滚刀产生偏磨。二刀圈断裂和崩角特别是在上软下硬的复合地层中，地层突然变硬。在向前推进的过程中滚刀存在非常高的推力荷载和瞬间荷载，加上刀圈的材质(硬而脆)，所以导致了滚刀刀圈的崩角和断裂。图2-3 地质不均地层刀圈受力示意图三刀圈移位刀圈移位主要是指用于避免刀圈沿轴线方向平移的挡圈发生了断裂和脱落。挡圈一旦发生了断裂和脱落会造成刀圈在轴线方向上左右摆动，从而加速了刀圈和轴承的磨损破坏和撞击破坏。主要是组装滚刀的时候，挡圈在工厂中的焊接不牢而引起；或者是滚刀在刀

31、箱中安装的不够牢固，在推进中滚刀松动，造成刀圈左右摆动而使挡圈破坏。四轴承损坏刀具轴承损坏会导致刀圈弦磨,甚至磨损刀体,使刀具无法再次使用。造成刀具轴承损坏的主要原因有两个,即刀具密封失效和刀具过载。刀具密封失效主要体现为润滑油泄漏，润滑油泄漏导致水、碴土甚至水泥浆液渗入轴承,使轴承无法正常转动。刀具密封损坏与刀具密封的耐压、耐高温能力有关,根据硬岩掘进机(TBM)的经验,损坏的刀具中,刀具密封失效的情况占70%。一般的盘形滚刀密封能承受的最高温度为80度,能承受的最高水压和气压均能达到1MPa。对盾构施工来说,保持掌子面与土仓碴土的流动性,降低刀具工作时的温度和压力是掘进过程中应主要考虑的内

32、容之一。2.2.2与滚刀磨损相关的地质因素影响滚刀磨损的重要地质因素主要有：岩石强度、硬度、研磨性、断裂带及地层的节理、裂隙发育程度、造岩矿物种类、开挖断面的地质均匀程度等。其中岩石强度、硬度、研磨性与滚刀磨损速度呈正比关系；岩石节理、裂隙越发育，刀具破岩越容易，对刀具的磨损也小；而开挖断面越不均匀，岩性变化越快，滚刀越容易发生不均匀磨损，在某些特殊情况下甚至对刀盘造成损坏性影响。需要特别指出的是，矿物种类对滚刀磨损有很大影响。岩石破碎时，首先是在矿物颗粒交界面处产生破碎，多数情况下颗粒本身不破碎。因此，岩石上的矿物与破碎下来的矿物颗粒都在磨损刀具，并且矿物颗粒的硬度越大，则磨损作用愈大。造岩矿物与岩石研磨性的关系如表2-4所示。一般而言，滚刀的研磨性随岩石中石英含量的增大而增大。表2-4造岩矿物与