硬巖T B M滾刀安裝方式設(shè)計(jì)分析

徐東博，韓佳霖，鄧立營(yíng)，巫思榮

（北方重工集團(tuán)有限公司，沈陽(yáng) 110025）

0 引言

近年來(lái)，為了滿足城市地鐵，水利建設(shè)鐵路交通等的發(fā)展需要，硬巖TBM在各大隧道工程項(xiàng)目中得到了廣泛的應(yīng)用。刀盤是硬巖TBM的核心部件之一，隧道的開(kāi)挖主要是靠刀盤上的滾刀在撐子面上滾動(dòng)以破碎巖石，在施工過(guò)程中滾刀的磨損消耗量很大，需經(jīng)常更換滾刀，因此滾刀在刀盤上的定位安裝應(yīng)滿足固定可靠、背裝式安裝以及能夠快速更換的要求。本文對(duì)目前國(guó)際上著名TBM廠商使用的常用的滾刀定位方式從加工制造、裝配及刀具更換等方面進(jìn)行分析對(duì)比，設(shè)計(jì)出一種新型的滾刀安裝方式，以滿足在TBM施工中能夠快速、方便地更換滾刀的要求，提高了TBM整機(jī)施工效率。

1 常用滾刀刀座形式及工作原理

常用的幾種刀座結(jié)構(gòu)形式有：

1）海瑞克硬巖TBM刀座，如圖1。

2）羅賓斯硬巖TBM刀座，如圖2。

3）威爾特硬巖TBM刀座，如圖3。

滾刀在破巖過(guò)程中的受力情況為沿滾刀徑向的巖面垂直反力和平行于刀尖的摩擦力，以上3種刀座的結(jié)構(gòu)形式在滾刀工作過(guò)程中，理論上都可以將滾刀所承受的垂直反力和摩擦力通過(guò)楔塊和刀座傳遞到刀盤上，把合螺栓都不承受剪切力。

圖1 海瑞克硬巖TBM刀座

圖2 羅賓斯硬巖TBM刀座

圖3 威爾特硬巖TBM刀座

2 滾刀刀座分析對(duì)比

現(xiàn)從以下3個(gè)方面對(duì)幾種刀座形式進(jìn)行對(duì)比分析：1）滾刀在刀座內(nèi)的定位可靠性；2）刀座的加工制造及裝配；3）施工過(guò)程中滾刀更換難易程度。

2.1 滾刀在刀座內(nèi)的定位可靠性

羅賓斯與海瑞克的刀座結(jié)構(gòu)形式相似，滾刀在刀座內(nèi)的定位通過(guò)上下兩個(gè)楔塊保持其位置，在施工過(guò)程中刀盤振動(dòng)大，但由于滾刀被兩個(gè)楔形塊夾緊，楔塊和刀軸之間是緊密結(jié)合無(wú)間隙的，楔塊主要受沿楔塊斜面向下的力，由螺栓將上下兩個(gè)楔塊拉近，楔塊會(huì)將刀軸緊緊壓在刀座上，螺栓主要受力為拉力，剪切力很小。因此兩種結(jié)構(gòu)的定位方式可靠耐用。

威爾特的刀座結(jié)構(gòu)形式是靠4個(gè)螺栓將刀座、滾刀和楔塊把合到一起，螺栓在實(shí)際的受力過(guò)程中承受一部分剪力，由于刀盤振動(dòng)嚴(yán)重，螺栓容易發(fā)生剪切破壞，此種固定方式相對(duì)于前兩種結(jié)構(gòu)形式欠佳。

2.2 刀座的加工制造及裝配

海瑞克和威爾特的滾刀刀座的制造及裝配形式相似，都需采用較厚的鋼板或鍛件，然后加工出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式，加工制造成本及難度較高，裝配時(shí)通過(guò)適當(dāng)?shù)陌惭b工具直接將刀座焊接到刀盤上，固定安裝簡(jiǎn)單。

羅賓斯?jié)L刀刀座由外側(cè)兩個(gè)嵌塊和內(nèi)側(cè)兩個(gè)刀座組成，加工成本和制造難度相對(duì)較低；在裝配時(shí)須先將嵌塊和刀座焊接到一起，然后通過(guò)相應(yīng)的安裝工具將刀座焊接到刀盤上，此種安裝方式對(duì)工裝的要求較高，額外的工序較多，裝配要求較高。

通過(guò)以上對(duì)比，認(rèn)為海瑞克與威爾特刀座加工制造成本和難度較高，但裝配較簡(jiǎn)捷，羅賓斯刀座加工制造成本和難度較低，但對(duì)裝配的要求較高。

2.3 施工過(guò)程中滾刀更換的難易程度比較

海瑞克與羅賓斯現(xiàn)場(chǎng)滾刀更換相似：抵達(dá)刀盤背面，將刀盤旋轉(zhuǎn)到合適的位置，松開(kāi)楔塊把合螺栓，將楔塊上頂，將滾刀向側(cè)面移動(dòng)就可以將其卸下更換上新的滾刀。更換效率高，安全可靠。

威爾特現(xiàn)場(chǎng)滾刀的更換：松開(kāi)把合螺栓，將滾刀向開(kāi)挖面前推，待整個(gè)滾刀全部探出刀座后旋轉(zhuǎn)90°，然后將滾刀退出，安裝時(shí)也需先將滾刀前推，然后旋轉(zhuǎn)90°才能將滾刀固定到刀座上，此種換刀方式繁雜，更換效率和安全性均較低。

3 新型滾刀安裝方式

根據(jù)以上3種滾刀的安裝方式對(duì)比分析，現(xiàn)提出一種新型的滾刀安裝定位方式，如圖4所示。

圖4 新型滾刀刀座

整個(gè)定位裝置包括刀座1、滾刀2、楔形壓緊塊3、螺栓 4、底部壓緊塊 5、螺母 6、保護(hù)螺母 7、墊片 8組成。其工作原理及實(shí)現(xiàn)方式為：滾刀軸制成與滾刀座側(cè)面板上滾刀軸固定處相配合的形狀，通過(guò)兩個(gè)平面與刀座側(cè)面板相接觸定位，刀軸端部的第三個(gè)平面與楔形壓緊塊3的側(cè)面相接觸，楔形壓緊塊3在通過(guò)螺栓4與底部壓緊塊5和螺母6的擰緊過(guò)程中，將滾刀軸壓緊并固定于滾刀座側(cè)面板上，在這個(gè)過(guò)程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)安裝的自動(dòng)準(zhǔn)確定位，為了防止螺栓4與螺母6發(fā)生銹死，方便維護(hù)時(shí)進(jìn)行拆卸，在螺栓4的端部安裝了保護(hù)螺母7，避免在盾構(gòu)施工過(guò)程中泥水滲入螺紋處。

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，如果滾刀磨損嚴(yán)重，可以更換滾刀：抵達(dá)刀盤背面，將刀盤旋轉(zhuǎn)到合適的位置，松開(kāi)楔塊把合螺栓，將楔塊上頂，將滾刀向側(cè)面移動(dòng)就可以將其卸下，更換上新的滾刀。更換效率高，安全可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

新型滾刀定位方式與前述的滾刀定位方式相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、定位準(zhǔn)確、安裝可靠、加工制造成本較低；在施工過(guò)程中能夠方便、可靠、快捷地對(duì)滾刀進(jìn)行更換及維護(hù)，適合應(yīng)用于硬巖TBM刀盤滾刀的定位。