高性能TBM滾刀刀圈的應(yīng)用

張凌，方亮，黃石起，尹佳鵬，王新榮

（1.吉林省維爾特隧道裝備有限公司，吉林吉林市132011；2.吉林省盾構(gòu)與掘進刀具技術(shù)重點實驗室，吉林吉林市132011）

0 引言

影響TBM 滾刀刀圈使用壽命的因素很多，我們對國內(nèi)外不同廠家的刀圈做了各種性能檢測，并對不同工況下掘進過程中的刀圈失效形式做了大量的分析和總結(jié)，最后從原材料的成分、生產(chǎn)工藝等方面進行了研究，開發(fā)出了新型的高性能盤型滾刀，本文重點介紹公司生產(chǎn)的高性能TBM 滾刀刀圈的特殊性能。

1 TBM 滾刀刀圈的材料及生產(chǎn)工藝

1.1 刀圈的材料

為了提高TBM 滾刀刀圈對于復(fù)雜巖層的適應(yīng)性，既要保證刀圈擁有較高的硬度，同時要具有較高的沖擊韌性。多年來吉林省維爾特隧道裝備有限公司反復(fù)研究材料中各種合金成分，開發(fā)出了特有的WG-16 高性能盤型滾刀生產(chǎn)材料，在硬度達到60-64 HRC，沖擊功可達到≥23 J，抗拉強度≥2020 MPa，化學成分見表1。

1.2 材料的生產(chǎn)工藝

采用中頻爐底吹氬精煉＋氣體保護電渣重熔＋高溫均質(zhì)化處理工藝。中頻爐底吹氬精煉后可以降低鋼液中的有害氣體和有害非金屬夾渣物的含量；采用氣氛保護定向凝固重熔工藝，保證了電渣錠內(nèi)部高純凈度、高均質(zhì)性、超細晶粒、防止了凝固過程中的微觀化學偏析，從而獲得組織致密、晶粒細小的金屬組織。高溫均質(zhì)化處理：對材料進行高溫均質(zhì)化處理后改善材料的各種偏析，減少一次碳化物，提高材料的沖擊韌性。通過上述精煉工藝生產(chǎn)出的材料比常規(guī)熔煉的材料，各種夾雜物降低：硫化物降低69%；氧化鋁62%；硅酸鹽67%。

2 鍛造工藝

把傳統(tǒng)的自由鍛改進為油壓機鍛造沖孔后用碾環(huán)機碾出環(huán)件，最后用萬噸摩擦壓力機進行閉式模鍛的工藝方式，在最短的時間內(nèi)、最佳的鍛造溫度范圍內(nèi)完成了模鍛，實現(xiàn)了金屬內(nèi)部組織纖維從內(nèi)向外伸展，增強了刃部組織密度，保證了纖維組織的連續(xù)性，鍛造出的刀圈毛坯刃部的組織密度高于端部，從而滿足了刃部具有良好的綜合機械性能。

3 熱處理工藝

刀圈的淬火采用真空油淬，淬火加熱工藝用分段加熱、分段保溫的方式，根據(jù)硬度要求制定合理的回火溫度及回火次數(shù)，并重點研究出了滾刀刀圈從端部到刃部的硬度由低到高呈梯度分布，提高了刀具的裝配質(zhì)量，避免在使用過程中刀圈斷裂失效，從而提高刀圈的使用壽命。

4 性能對比及使用效果對比

4.1 性能對比

通過對美國某廠商、國內(nèi)某廠商和維爾特刀具樣品分別進行洛氏硬度、沖擊功、抗拉強度實驗，得出試驗數(shù)據(jù)如表2 所示，維爾特刀具在梯度硬度、沖擊功和抗拉強度等關(guān)鍵技術(shù)指標性能遠超美國廠商。

通過研究，TBM 刀圈的硬度分布對于刀圈的磨損也起到至關(guān)重要的作用，均勻的硬度變化使刀圈在使用過程中可穩(wěn)定地磨損，并且降低刀圈異常磨損的概率，刀圈的穩(wěn)定性對于隧道掘進機的平穩(wěn)推進（推力和貫入度）也有較大的影響，我們分別對美國廠商、國內(nèi)廠商和維爾特三個品牌的刀具，在同一工況下的磨損情況進行分析（見圖1），維爾特刀具相對于其他廠商磨損量較為線性，沒有較大的異常磨損點，并且使用壽命最長。

表1 刀圈材料化學成份

表2 國內(nèi)外廠商刀圈材料性能對比

4.2 使用效果對比

為了證明新型高性能TBM 滾刀刀圈是否達到預(yù)期效果，將其投入到我國比較有代表性的“引松入長”和“引漢濟渭”兩個TBM 項目上進行試驗，其中“引松入長”項目使用的是意大利某知名品牌的刀具，在同一刀盤、相同工況下連續(xù)8個刀位間隔布置兩品牌刀具，共同掘進110 m。意大利品牌4 刀位累計磨損70 mm,維爾特刀具4刀位累計磨損66 mm,意大利品牌刀圈磨損量高于維爾特刀具磨損量6.06%，維爾特刀具性能優(yōu)于意大利品牌刀具。

圖1 同一工況下刀圈磨損情況

由陜西省引漢濟渭工程建設(shè)有限公司組織了對國內(nèi)外多個廠家提供的刀具進行TBM 試掘進硬度測試與磨損量測試實驗，在該項目TBM試掘進磨損量測試實驗中，將吉林維爾特刀具與前期試驗性能最優(yōu)的美國某品牌刀具做使用對比，選定項目刀盤上最易磨損的41—46 號邊刀位分兩組，做兩輪對調(diào)使用對比。美國品牌第一輪44 號、第二輪43 號刀位先后發(fā)生弦磨。維爾特刀具全程性能表現(xiàn)穩(wěn)定，試驗全程全部刀具無崩韌、弦磨等刀體損壞。相同刀位逐一對比，美國品牌刀具磨損量全部高于維爾特刀具磨損量，累積磨損量，美國品牌刀具高于維爾特刀具35.71%，刀具磨損量試刀結(jié)果見表3。

5 結(jié)語

高性能TBM 滾刀刀圈擁有高硬度、高韌性的特點，有效提高了刀圈服役時的可靠性和耐久性，這不僅提高了隧道掘進機的工作效率，同時降低了施工成本，并且通過多次實際驗證，高性能WG-16 刀圈完全取代并超越了國外進口刀圈，徹底打破了國外進口刀具的市場壟斷情況，將對推動國產(chǎn)TBM 刀具的發(fā)展產(chǎn)生重要意義，更將有力帶動我國隧道裝備產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，助力民族工業(yè)的偉大振興。

表3 維爾特公司與美國某公司刀具磨損試刀情況對比