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TBM
滚刀刀圈材料性能的研?/p>
张占?/p>
1
,赵金华
1
,吴志生
1
,刘?/p>
2
,赵海峰
2
,袁?/p>
3
(1
.太原科技大学
2
.北方重工集团有限公?/p>
3
.东北大?/p>
)
?/p>
要:
隧道掘进机破岩的主要工具是刀圈。分析了刀圈常见失效形式,选取了两种刀圈,
用直读光谱仪测定其成分,
通过金相和透射电镜比较其显微组织,
用维氏硬度计和冲击试?/p>
测定了硬度和冲击功?/p>
刀圈一的硬度约?/p>
700HV
?/p>
冲击?/p>
2
?/p>
3J
?/p>
刀圈二的硬度大?/p>
530HV
?/p>
冲击?/p>
30
?/p>
40J
。比较了其生产工艺的不同,提高材料的纯净化、均匀化和细化晶粒,优?/p>
热处理工艺,刀圈材料在满足高硬度要求时可保证高韧性?/p>
?/p>
?/p>
词:
TBM
滚刀刀圈;失效分析;显微组织;高韧性;热处?/p>
隧道全断面掘进机
(TBM)
具有快速、优质、高效、安全、环保的施工特点,近年来广泛
应用于隧道工程建设中。随着城市地铁的兴建和资源需求量的激增,国内?/p>
TBM
的需求量
越来越大?/p>
TBM
刀盘上的滚刀刀圈,是整套掘进设备中技术含量较高的机械备件,是
TBM
施工的关键部件和易损部件。在施工过程中,
滚刀的工作条件极其恶劣,消耗量极大?/p>
频繁
的换刀严重地影响了施工进度?/p>
为减少停机换刀次数?/p>
降低圈损耗,
开发出更高性能的滚刀
刀圈成为重要的研究方向?/p>
1
破岩机理和影响效率的因素
TBM
刀盘在纵向油缸施加的推力作用下,将刀盘上的滚刀压入岩石,刀盘在旋转装置
的驱动下带动滚刀绕刀盘中心轴公转?/p>
同时各滚刀还绕各自的刀轴自转,
实现滚刀在岩面上
的连续滚压。刀盘施加给刀圈推力和滚动?/p>
(
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?/p>
滚刀破岩主要分为
3
个阶段:
挤压阶段?/p>
起裂阶段和破碎阶段?/p>
挤压阶段中滚刀在高?/p>
力作用下?/p>
切入岩石表面,同时岩面产生局部变形及很高的接触应力?/p>
在此应力作用下,刀
刃与岩石接触部分的岩体产生粉碎区?/p>
即应力核心区?/p>
此核心区深度越深?/p>
范围越大对提?/p>
破岩效率越明显?/p>
在高应力的作用下进入起裂阶段?/p>
当沿粉碎区周边应力大于岩体的抗拉?/p>
度或抗剪强度时,
便产生张拉裂缝,
此为能否破岩的先决条件?/p>
在应力核心区下层是应力过
渡区?/p>
该区为应力衰减区?/p>
对岩体裂缝的产生不起控制性作用?/p>
在刀刃正下方分布有主裂缝?/p>
由于其方向与破岩方向一致,
因此也不能显著地提高破岩效率?/p>
但能加大下个循环中压入阶
段应力范围?/p>
破碎阶段过程中相邻滚刀的间距使起裂阶段产生的裂缝相互连通时?/p>
表面部分
岩体便被裂缝分割,形成碎片并脱离开挖面?/p>
影响刀圈破岩效率的因素有很多,
但根据以往工程实践及试验数据,
影响破岩效率的因
素主要有:脆?/p>
(
塑?/p>
)
和耐磨性。脆?/p>
(
塑?/p>
)
是对岩石抗压强度、抗拉强度的综合评价,?/p>
用于抗压强度较大
(
?/p>
)
,而抗拉强度较?/p>
(
?/p>
)
岩石;耐磨性直接关系到盾构机掘进效率,?/p>
对刀具进行寿命及备品估算、工期筹划的主要依据?/p>
2 TBM
滚刀刀圈失效分?/p>
刀圈失效在掘进过程中经常发生,
严重影响?/p>
TBM
工作效率?/p>
刀圈失效形式主要包括:
正常磨损、非正常磨损、卷边、打刃、移位、崩裂等损坏形式?/p>
刀圈的工作环境和其失效的主要形式表明刀圈应具有高硬度?/p>
高耐磨性?/p>
高韧性?/p>
高?/p>
磨性有助于减少刀圈的磨损量,
延长工作时间从而减少停机换刀次数?/p>
高韧性能够减少打?/p>
和崩裂等现象的发生,有助于提?/p>
TBM
掘进速度。一般情况下,材料硬度的提高必然降低
其韧性,
而韧性的提高又会降低材料的硬度?/p>
工程生产中需要具有高硬度和高韧性的滚刀刀
圈,高韧性刀圈的开发成为刀圈研发的
1
个重要方向?/p>
高韧性的
TBM
滚刀刀圈的开发可考虑以下几方面:
1)
考虑合金元素
Ni
,材料中加入一
定量的合金元?/p>
Ni
,能够同时提高材料强度和韧性;
2)
从冶炼开始,注意提高钢的纯净化?/p>
均匀化和晶粒超细化,
可使刀圈材料的强韧性获得大幅提高;
3)
加强对材料热处理工艺参数