盾構(gòu)機(jī)刀具的分類與布置

劉文波，楊學(xué)鋒，萬 壯，王守仁，夏國峰，李 丹

(濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250022)

0 前言

現(xiàn)階段，隧道建設(shè)是解決交通擁擠的主要方法，也是打通山區(qū)與平原交通的主要手段。盾構(gòu)機(jī)是用于隧道掘進(jìn)的自動(dòng)化裝置，主要由刀盤刀具、盾體、螺旋輸送機(jī)、管片機(jī)、運(yùn)送渣土的小車以及各種輔助功能的拖車組成。盾構(gòu)機(jī)的刀盤刀具是隧道掘進(jìn)的主力，盾構(gòu)機(jī)刀具按照一定形式布置在刀盤上，因此對(duì)于盾構(gòu)機(jī)來說，刀具的壽命以及在刀盤上的布置是盾構(gòu)機(jī)工作壽命的關(guān)鍵。

盾構(gòu)機(jī)刀具主要分為切刀和滾刀[1]。滾刀主要有單滾刀和雙聯(lián)滾刀，切刀主要包括切削刀、刮刀、先行刀和仿形刀等。

1 盾構(gòu)機(jī)滾刀

滾刀主要分為單滾刀和雙聯(lián)滾刀，以及鑲齒滾刀和鑲硬質(zhì)合金滾刀，如圖1所示。

圖1 滾刀、雙聯(lián)滾刀

1.1 滾刀的組成部分

盾構(gòu)機(jī)的滾刀由刀圈、刀體、刀軸、浮動(dòng)密封和端蓋組成，以及配合刀具使用的刀座[2]。滾刀現(xiàn)在應(yīng)用的規(guī)格主要是：12英寸、14英寸、17英寸和19英寸四種，其中17英寸最常用[3]。

滾刀的刀圈作為滾刀的最重要部件，決定了滾刀應(yīng)用的地形。滾刀的性能(如破巖力，切入深度、破巖效率、能量消耗等)主要受刀圈的材料、結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)等的影響，當(dāng)然巖石的物理力學(xué)性質(zhì)也是主要影響因素[4]，圖2為滾刀的三視圖。

圖2 滾刀的三視圖

滾刀刀圈主要有尖頂?shù)度?、圓弧頂?shù)度推巾數(shù)度5]。 針對(duì)于普通刀圈的硬度高而韌性低的問題，采用鑲齒或者表面敷焊刀圈， 也有一種鑲齒刀圈[6]，如圖3所示。

滾刀滾刀刀圈的幾何尺寸主要有：刀圈直徑D、刀刃角α、刀刃寬度(刀尖圓弧半徑)H等[7]，如圖4所示。

圖3 鑲齒滾刀

圖4 滾刀刀圈幾何尺寸

1.2 滾刀的材料

滾刀各組成部分的材料，是根據(jù)所要具備的功能和工作環(huán)境進(jìn)行選擇。通常，刀體和主軸作為滾刀刀圈的支撐體，在掘進(jìn)過程中，要承受拉應(yīng)力、壓應(yīng)力以及沖擊載荷，因此必須能夠具備較高的強(qiáng)度以應(yīng)對(duì)拉壓載荷，要具備較高的韌性應(yīng)對(duì)沖擊載荷[8]。所以材料一般選擇碳合金結(jié)構(gòu)鋼，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的熱處理[9]。

滾刀使用的軸承一般是圓錐滾子軸承，圓錐滾子軸承成對(duì)使用，能夠同時(shí)承受徑向力和軸向力[10]，有時(shí)根據(jù)需求也會(huì)使用滑動(dòng)軸承或者其他的軸承。

浮動(dòng)密封的作用就是密封，為了不讓外部的異物進(jìn)入滾刀內(nèi)部，同時(shí)保證刀體內(nèi)部的潤滑劑不會(huì)外泄。針對(duì)浮動(dòng)密封的功能要求，所以使用高硬度耐磨高鉻鉬的鑄鐵和丁腈橡膠的O型密封圈[11]。

刀圈要承受徑向破巖力、側(cè)向力以及沖擊載荷，同時(shí)還有巖石等硬物的磨損刮劃，因此要具有高硬度、強(qiáng)度和沖擊韌性，一般是熱作模具鋼[12]。

1.3 滾刀的工作原理

安裝在盾構(gòu)機(jī)刀盤上的滾刀，在刀盤推力下壓在巖石上，同時(shí)滾刀繞刀軸自轉(zhuǎn)和隨刀盤公轉(zhuǎn)，巖石被壓崩脫落或在巖石內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，相鄰滾刀產(chǎn)生的裂紋貫通時(shí)，大塊巖石將會(huì)脫落[13]。

1.4 滾刀常見的失效形式

刀圈損壞(刀圈的正常磨損、偏磨、崩裂、卷邊等)、軸承損壞(軸承進(jìn)泥沙、軸承不轉(zhuǎn)、滾體破碎、軸承圈損壞等)、密封損壞(密封圈變形、失去彈性)、其他損壞。刀圈作為滾刀的主要部件，刀圈失效將會(huì)導(dǎo)致滾刀的失效。刀圈的正常磨損超過使用許可時(shí)，盾構(gòu)機(jī)停止工作，但是當(dāng)?shù)度Τ霈F(xiàn)非正常失效時(shí)，如偏磨等，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)停止運(yùn)行，屬于技術(shù)人員必須修改的部分。

2 盾構(gòu)機(jī)切削刀

2.1 滾刀常見的失效形式

切刀全稱切削類刀具，主要作用是切削開挖面的土體。切刀分為切削刀、刮刀(正刮刀和邊緣刮刀)、中心刀(魚尾刀和羊角刀)、仿形刀(超挖刀)、先行刀(撕裂刀)以及保護(hù)刀和保徑刀[14]。保護(hù)刀一般是具有耐磨條的刀體，并不具有切削的功能，只是作為對(duì)盾體、刀座、注漿口和面板的保護(hù)[15]。

切刀布置在輻條或刀盤開口兩側(cè)，用于切削土壤或軟巖，如圖5所示。切削刀的主要參數(shù)：刀刃角和切削深度。軟土層使用刀刃角小的切刀，效率高；硬土層使用刀刃角大的切刀，防切刀折斷[16]。

圖5 切刀

(1)刮刀。在土壤層和沙土混合層中，刮刀主要起切削作用；在巖石層中，巖石被滾刀擠壓破碎后，刮刀主要起刮渣作用。刮刀的刀刃上堆焊碳化鎢材料，可顯著提高刀刃的耐磨性，延長刀具的使用壽命；邊緣刮刀用于清理外周渣土，可以起到校準(zhǔn)盾構(gòu)開挖直徑的作用[17]，如圖6所示。

圖6 邊緣刮刀

(2)中心刀。在切削土壤或軟巖層時(shí)，不適合布置滾刀，但中心位置不能布置切削刀，所以在中心位置布置尺寸較大的魚尾刀。魚尾刀先切削中心部位土體，然后其他切刀再進(jìn)行切削[18]，如圖7所示。

(3)仿形刀。仿形刀布置在輻條的兩端。掘進(jìn)時(shí)，可以根據(jù)超挖多少和超挖范圍的要求，從輻條兩端徑向伸出和縮回仿形刀，達(dá)到仿形切削的目的。盾構(gòu)機(jī)在曲線段推進(jìn)、轉(zhuǎn)彎或糾偏時(shí)，通過仿形超挖切削土體創(chuàng)造所需空間，保證盾構(gòu)機(jī)在超挖少、對(duì)周邊土體干擾小的條件下，實(shí)現(xiàn)曲線推進(jìn)和順利轉(zhuǎn)彎及糾偏[19]。

圖7 中心魚尾刀

(4)先行刀。先行刀主要應(yīng)用于軟土或軟巖地層，與切刀組合協(xié)同工作，先行將土體切割分塊，然后切刀再進(jìn)行切削。先行刀的切削寬度比切刀窄，布置高于切刀，切削效率較高[20]，如圖8所示。

(5)保徑刀。保徑刀安裝在刀盤的邊緣，保證隧道的開挖直徑[21]。

圖8 先行刀

2.2 切刀的組成部件

相對(duì)于滾刀而言，切刀組成部件相對(duì)簡單，主要有刀體和刀頭。刀頭是切刀的關(guān)鍵部件，是切刀進(jìn)行切削工作的主力，刀頭一般是在基體的基礎(chǔ)上加焊硬質(zhì)合金。由于切刀種類比較多，相應(yīng)的刀頭的形式也很多。如邊刮刀的刀頭呈圓弧狀、保徑刀以及超挖刀的刀頭近似于直線狀，切削刀的三棱體狀以及根據(jù)需求的各種復(fù)雜形狀。

刀刃的主要參數(shù)是前角β和后角γ，具體角度要根據(jù)切削地層的不同，角度的取值也相應(yīng)變化[22]。

2.3 切刀的材料

刀體的作用也是對(duì)刀刃進(jìn)行支撐，與滾刀的刀體一樣，會(huì)承受拉壓載荷以及沖擊載荷，所以要具有較高強(qiáng)度和韌性。刀體材料一般選擇與滾刀刀體一樣的碳合金結(jié)構(gòu)鋼，進(jìn)行相應(yīng)的熱處理即可。

刀刃是切削運(yùn)動(dòng)的主要部件和磨損件，切刀主要靠刀刃切削巖土進(jìn)行掘進(jìn)，所以對(duì)于硬度、強(qiáng)度、耐磨性和韌性要求都特別高。通常齒刀、刮刀和先行刀，一般使用硬質(zhì)合金焊接在刀體上[23]。

2.4 切刀的工作原理

切刀主要用于巖土的開挖面，在刀盤推力下，產(chǎn)生沿刀盤軸向的切削力，隨刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生沿刀盤切向的切削力，切刀在巖土上形成犁溝。如果切削的巖土硬度不大的情況下，巖土?xí)谇械兜淖饔孟伦兂稍撩撀?；如果巖土硬度較大時(shí)，切刀在巖土上形成裂紋，在重復(fù)的切削下，裂紋貫通，會(huì)像巖石切削一樣脫落[24-25]。

2.5 切刀常見的失效形式

切刀的主要失效形式是刀具的磨損、刀刃的崩斷和刀刃的脫落。切刀的磨損屬于刀具設(shè)計(jì)時(shí)正常的磨損，在使用時(shí)也作為盾構(gòu)機(jī)工作壽命的標(biāo)志。切刀的刀刃崩斷和刀刃合金的脫落屬于刀具工作時(shí)非正常的失效，在設(shè)計(jì)制造時(shí)需要考慮到失效的原因。

3 盾構(gòu)機(jī)刀具的選擇

根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn)，大致分為松軟土地層、純硬巖地層、砂層和砂卵石地層、復(fù)合地層等幾種地質(zhì)[26]。

粘土、淤泥為主的地質(zhì)，選用輻條式刀盤，由于不需要破巖，所以只配置切削型刀具即可，如：切刀、中心刀、刮刀、保徑刀等切削類刀具。

砂層、砂卵石地層，需要安裝滾刀進(jìn)行破巖，采用面板或輻板式刀盤，同時(shí)配置切削類刀具。滾刀用于破碎大的卵石，切刀對(duì)切削面的土壤進(jìn)行切削，刮刀刮削被切刀切開的土體，仿形刀用于彎道的開挖和糾偏。

硬巖石地層，地質(zhì)單一，采用面板式刀盤，配置滾刀進(jìn)行破巖即可。

地質(zhì)復(fù)雜、軟硬不均的地層，需要配合多種刀具進(jìn)行加工，刀具配置與砂層、砂卵石地層相似，刀具的布置方面要根據(jù)具體地質(zhì)進(jìn)行選擇[27]。

4 盾構(gòu)機(jī)刀具的布置

刀具布置決定刀具在掘進(jìn)的效率，同時(shí)刀具布置還會(huì)影響刀具的失效，合理布置刀具是盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度的關(guān)鍵。刀具布置的參數(shù)主要有刀具布置方式、刀具間距、刀具高度等。

4.1 刀具布置方式

刀具是盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)的工具，充分發(fā)揮刀具的性能是延長盾構(gòu)機(jī)工作壽命的關(guān)鍵。刀具布置在刀盤上，采用較好的布置方式，能夠讓滾刀更好的破巖，讓切削刀更好的進(jìn)行切削、刮切土壤和碎石[28]。刀具的布置要滿足各個(gè)刀具的磨損盡量均衡，更換方便的刀具可以使其先磨損，盡量讓刀具的壽命趨于一致；刀具與開挖面直接接觸，來自加工面的反力通過刀具反作用于刀盤，刀具對(duì)刀盤的力要均勻，盡量均分在刀盤的主要承重區(qū)。

刀具在刀盤上的布置方式，現(xiàn)有阿基米德螺旋線、多阿基米德螺旋線和同心圓式三種布置[29]，如圖9、圖10所示。

圖9 阿基米德螺旋線

圖10 同心圓線

4.2 刀間距

刀間距是指布置在刀盤上的刀具，按照一定布置方式，每層之間的刀具在徑向和周向之間的距離。刀間距要滿足破巖、切削的要求，刀具間距受巖石硬度影響，在硬度較低的巖石中，刀間距應(yīng)取值較大，在硬度較高的地層，刀間距應(yīng)取值較小[30]。例如在破巖方面，滾刀在硬度較高的巖石上，刀間距應(yīng)小一些，使得在一定的推力下，滾刀在巖石內(nèi)部產(chǎn)生的裂紋能夠貫通，從而達(dá)到破巖的功能，硬度較小時(shí)反之。

4.3 刀具高度

刀具高度是指刀具高出刀盤面的距離，刀具高度的布置既影響開挖效率，又關(guān)系著刀具的失效。例如，在黏度較大，硬度較低的土層，刀具高度過低時(shí)會(huì)出現(xiàn)對(duì)土層的切削深度不足，不能達(dá)到去除的效果，從而降低了掘進(jìn)效率；刀具過高時(shí)可能會(huì)斷刀[31]。

滾刀與切刀的高度選擇，滾刀的高度應(yīng)滿足破巖要求，并減小切削刀具的研磨，因此滾刀的高度比切刀的高一下。滾刀與切刀的高度差也要根據(jù)具體地質(zhì)進(jìn)行選擇，高度差過大容易導(dǎo)致刀具崩裂或滾刀的偏磨，高度差過小，刀盤整體受力過大，刀具磨損嚴(yán)重。

5 結(jié)束語

本文介紹了盾構(gòu)機(jī)刀具的分類、工作原理，概括了刀具的選擇與布置形式，總結(jié)了盾構(gòu)機(jī)刀具良好減摩抗磨的布置：針對(duì)不同地質(zhì)選擇不同的刀具組合、刀具間距、刀具的高度，以及螺旋線式布置。

(1)刀具的選型，針對(duì)于不同地形，選擇可以適用于多種地形的刀具組合；

(2)刀具的布置，根據(jù)地質(zhì)對(duì)刀具的影響，找到可以更好降低刀具磨損的布置形式；

(3)新型的刀盤，根據(jù)不同地質(zhì)可以調(diào)整刀具配合的模塊化刀盤。