地鐵隧道盾構(gòu)機(jī)刀盤制造工藝

盧開爭(zhēng)

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

0 前言

刀盤位于盾構(gòu)機(jī)盾體最前端，是盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)切屑地層的關(guān)鍵部件。它具有三大功能：一是開挖功能，對(duì)掌子面的地層進(jìn)行開挖，使開挖后的渣土順利通過渣槽，進(jìn)入土艙；二是穩(wěn)定功能，具有支撐、穩(wěn)定掌子面的功能；三是攪拌功能，可以對(duì)土倉內(nèi)的渣土進(jìn)行攪拌，使渣土具有一定的塑性。刀盤的功能決定了刀盤必須具備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高、耐磨性能較好等特點(diǎn)，因此合理的制造工藝將是能否制造出合格刀盤的關(guān)鍵。本文以深圳地鐵十二號(hào)線復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)刀盤制作工藝為例，進(jìn)行分析說明。

1 項(xiàng)目概況

深圳地鐵十二號(hào)線項(xiàng)目盾構(gòu)機(jī)刀盤開挖直徑為Φ6 470 mm，采用六主梁、六輻梁復(fù)合面板式結(jié)構(gòu)。刀盤配置6 把中心雙聯(lián)滾刀、35 把單刃滾刀，中心開口率35%，總重約66 t，為重型結(jié)構(gòu)刀盤，整體焊縫較多、焊接量較大。

2 刀盤的結(jié)構(gòu)

刀盤主要分為三個(gè)部分，主體面板結(jié)構(gòu)、扭腿以及連接法蘭。主體面板結(jié)構(gòu)采用鋼板拼焊而成，刀盤中心區(qū)域采用140 mm 厚鋼板整體鍛造而成，外圈大圓環(huán)采用120 mm 厚鋼板卷制。中心區(qū)域和大圓環(huán)之間等分布置6 根主梁，主梁中間布置刀箱，每根主梁之間布置1 根輻梁，輻梁與主梁、大圓環(huán)連接，這樣刀盤面板結(jié)構(gòu)全部連接在一起，形成一個(gè)整體。

圖1 刀盤面板結(jié)構(gòu)圖

3 刀盤的制作工藝

刀盤面板是刀盤的主要結(jié)構(gòu)，刀盤制造的重點(diǎn)在于面板的制造。刀盤的制造工序?yàn)椋合铝稀髨A環(huán)卷圓→放樣→大圓環(huán)組拼→中心區(qū)域組拼→主梁組拼→輻梁組拼→整體加固→焊接→校正→機(jī)加工。

3.1 下料

大圓環(huán)需拼焊，分兩瓣下料，各豁口及坡口不割出，待組對(duì)大圓環(huán)前割出。兩瓣一起下料，只切割展開長(zhǎng)度方向，兩端不切斷，保持整體狀態(tài)下滾圓。每瓣展開長(zhǎng)度增加400 mm 下料，作為卷制時(shí)壓頭余量。其余各部件按照零件圖進(jìn)行下料，下料完畢后開制坡口。切割坡口尺寸按圖紙要求執(zhí)行，公差按工藝要求：深度±1 mm，角度±1°。對(duì)于標(biāo)注鈍邊為2 mm 的坡口，其實(shí)際鈍邊不得大于2 mm。

3.2 卷圓

大圓環(huán)下料完畢后，按內(nèi)徑Φ6 080 mm 卷圓，制作弧形樣板檢驗(yàn)卷圓弧度，保證樣板和大圓環(huán)間隙≤2 mm。卷圓完畢后，割除壓頭余量，兩端頭拼焊處坡口為X 型，坡口組合角度45°，鈍邊2 mm。

3.3 組拼

在剛性平臺(tái)上劃線放樣刀盤，主要放線尺寸為圓心、大圓環(huán)、主梁、輻梁等，大樣須進(jìn)行報(bào)檢。在地樣上組拼主梁，注意刀盤正面朝下組拼。先定位中心區(qū)域面板，然后依次組對(duì)各件主刀梁，注意主刀梁之間的距離應(yīng)加寬4 mm，以便后期刀箱安裝。組對(duì)時(shí)調(diào)整主刀梁兩端對(duì)齊且側(cè)面與平臺(tái)垂直，與平臺(tái)定位焊固定，在主刀梁中間各加2 處工藝支撐進(jìn)行固定。主刀梁、輔刀梁組對(duì)完成后，組拼連接環(huán)筋，點(diǎn)焊固定牢靠。將大圓環(huán)按位置線進(jìn)行組對(duì)，在圓心位置放線錘，每隔30°檢查一次半徑R 3 040 mm，并保證大圓環(huán)兩瓣組拼間隙為10 mm 左右。并在大圓環(huán)組對(duì)處內(nèi)外各焊接一塊定位擋塊，只焊接單邊焊縫，讓大圓環(huán)在焊接過程中有收縮余量。面板組拼的同時(shí)，對(duì)扭腿進(jìn)行小拼裝，定位加固牢靠。全部組拼完成后，檢測(cè)定位的各部件工藝支撐，定位焊接牢固，在各主要部件上都與剛性平臺(tái)進(jìn)行連接固定、使大圓環(huán)與平臺(tái)固定牢靠。

3.4 刀盤面板焊接

刀盤的焊縫主要為主梁、輻梁與中心面板和大圓環(huán)以及扭腿之間焊縫，焊縫填充量較大，焊接變形難于控制。必須遵循焊接順序：①先焊接長(zhǎng)直焊縫，主焊縫，在焊接短焊縫；②采用對(duì)稱焊接；③采用多層多道焊焊接，每道厚度不大于5 mm，寬度不大于15 mm；④每道焊縫焊接前檢查打底焊是否有開裂等缺陷，如有需清除后焊接；⑤從中心向四周輻射、4 個(gè)焊工同時(shí)對(duì)稱焊接、同向焊接、大圓環(huán)最后焊接。焊材采用ER50-6 焊絲CO2氣體保護(hù)焊，平焊工藝參數(shù)：焊接電流180~250 A，電壓26~33 V，焊接速度20~45 cm/min，氣體流量15~25 L/min；立焊工藝參數(shù)：焊接電流150~170 A，電壓18~25 V，焊接速度15~25 cm/min，氣體流量15~25 L/min；焊前預(yù)熱100~150℃，層間溫度≤300℃，后熱150~200℃，保溫時(shí)間不低于2 h。焊接前在大圓環(huán)外壁做出變形標(biāo)記，焊接過程中實(shí)時(shí)測(cè)量大圓環(huán)變形情況，從而調(diào)整焊接順序，減小焊接變形。

3.5 扭腿及法蘭組焊

刀盤面板焊接完畢后組拼扭腿及連接法蘭，調(diào)整法蘭圓心與放樣圓心重合，每隔60°測(cè)量法蘭平面度，法蘭與扭腿為探傷縫，組對(duì)時(shí)扭腿與法蘭預(yù)留2~3 mm 間隙。扭腿及法蘭焊接時(shí)應(yīng)先焊接扭腿與刀盤面板之間焊縫，再焊接扭腿與法蘭之間焊縫。焊接過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)法蘭與刀盤面板高度，將法蘭調(diào)整到位置后用4~6 組液壓千斤頂做支撐進(jìn)行加固。刀盤背面焊接完畢后翻身焊接正面剩余焊縫，全部焊接完畢后采用退火或時(shí)效振動(dòng)去除焊接應(yīng)力。

3.6 機(jī)加工

以刀盤前面板、大圓環(huán)外圓為定位基準(zhǔn)裝夾、墊高工件、用表找正。保證法蘭平面度小于3.5 mm，刀盤中心圓跳動(dòng)小于2 mm；粗車大圓環(huán)外圓以及法蘭內(nèi)外圓，粗車法蘭端面與大圓環(huán)端面760 mm，法蘭內(nèi)外圓預(yù)留精加工余量；精車法蘭內(nèi)外圓、端面，預(yù)留粗糙度研磨余量；最后加工法蘭連接孔等。

3.7 刀箱安裝

將刀盤前面板朝上，法蘭面朝下，以大圓環(huán)背部的加工面（法蘭面）作為基準(zhǔn)找平刀盤，平面度≤1 mm，找正圓心；用半自動(dòng)切割機(jī)修割切口（邊滾刀刀箱、邊刮刀位置），考慮到斜刀箱板間距放大4~5 mm,所以修割大圓環(huán)切口時(shí)預(yù)留6~7 mm 的預(yù)留部分，進(jìn)行多次修割，半自動(dòng)不能修割到的位置用手工切割、氣刨、打磨處理；用半自動(dòng)切割機(jī)對(duì)主刀梁與刀箱連接的一側(cè)開制15×15 的焊接坡口，另外一側(cè)也同樣開制15×15 的坡口，為切刀安裝做好準(zhǔn)備；斜刀箱兩側(cè)的拼板應(yīng)整體組對(duì)、加固完成之后再吊裝到大圓環(huán)切割的位置進(jìn)行調(diào)整、定位。兩塊板應(yīng)保證端面平齊、兩側(cè)長(zhǎng)邊平齊，板間距預(yù)留4 mm余量，即焊前保證板間距不小于410 mm，然后加支撐固定，防止在吊裝過程中變形；斜刀箱兩塊側(cè)板組對(duì)、加固完成之后整體吊裝到大圓環(huán)切割的位置，可以對(duì)切口進(jìn)行修割保證斜刀箱側(cè)板定位的三個(gè)要素（高度、半徑、角度）此處高度可以用刀盤前面板作為基準(zhǔn)來測(cè)量，角度直接用角度儀來進(jìn)行測(cè)量，角度誤差±0.5°，保證好三要素后，加固焊接，可以先焊接至250~270 mm 的刀箱位置即可進(jìn)行下道工序；刀具工裝吊裝到刀盤上之后要以法蘭面和大圓環(huán)加工端面為基準(zhǔn)來調(diào)平刀具工裝，一是刀具模板固定在同一個(gè)位置，測(cè)量模板上各點(diǎn)的的水平，滿足要求后進(jìn)入下一步；二是將刀具工裝旋轉(zhuǎn)到不同位置，測(cè)量刀具模板上同一個(gè)點(diǎn)的水平，并且檢測(cè)刀具工裝的同心度，滿足要求后即可對(duì)刀具工裝進(jìn)行加固。全部準(zhǔn)備工作完成后按照滾刀刀箱→切刀（邊刮刀）→撕裂刀→保徑刀→超挖刀→中心刀的順序定位刀具。

3.8 管路布置

刀箱、刀具定位焊接完畢后，進(jìn)行泡沫管路、液壓管路布管工作，管路布置后進(jìn)行打壓實(shí)驗(yàn)，打壓合格后用鋼板將管路全部封閉保護(hù)，最后在鋼板保護(hù)砂鍋面對(duì)焊耐磨層。

4 結(jié)語

本文論述了復(fù)合式重型刀盤的整體制造工藝，對(duì)相似刀盤的制作工序、焊接控制具有一定的借鑒作用和推廣意義。