盾构关键部件介绍--刀盘

暨智勇2011年8月11日盾构关键部件介绍刀盘提纲一、刀盘结构介绍二、刀盘制作过程介绍三、不同厂家刀盘展示盾构机是在地面以下暗挖隧洞的一种机械设备，主要是通过刀盘对掌子面岩土进行开挖。其中刀盘的主要功能是：1、开挖掌子面岩土；2、稳定掌子面；3、搅拌土体。盾构机在施工过程中会遇到各种不同地层，如淤泥、粘土、砂层、软岩、硬岩等式。作为盾构关键部件之一的刀盘工作环境恶劣，受力复杂。刀盘结构形式与工程地质情况密切相关，不同地层应采用不同的刀盘结构形式。一、刀盘结构1、刀盘结构组成刀盘主要由刀盘体、刀具、磨损检测器、搅拌棒、泡沫管路等零部件组成。刀盘体由钢结构焊接而成，刀具有滚刀(齿刀)、切刀、边缘刮刀、超挖刀、保径刀等。（1）纵断面形状刀盘纵断面形状大致有以下几种：垂直平面形；突芯平面形；穹顶形；倾斜形；收缩形。2、刀盘结构形式（2）刀盘正面形状刀盘的正面形状主要有面板形、辐条形以及介于两者之间的辐板形。优点：面板直接支随掘削面，有挡土功能，有利于掘削面稳定；缺点：掘削粘土层时，晚发生粘土粘附面板表面，妨碍刀盘旋转，影响掘削质量，防止措施是外加添加材料等。面板式（开口率相对较小）辐条式优点：刀盘掘削扭矩小，排土容易，土舱压力能有效作用于掘削面缺点：对于地下水压大，易坍塌土质，易喷水喷泥辐条式（开口率大）具体应用哪种形式刀盘应根据施工条件及地质情况等因素决定，一般而言，土压平衡盾构根据地质条件可选用辐条式、面板式和辐板式，泥水平衡盾构一般采用面板式或辐板式。辐板式（开口率居中）3、刀盘与切口环的位置关系刀盘与切口环的位置关系有三种形式，刀盘位于切口环内，主要适用于软弱地层；刀盘外沿凸出切口环，适用于土质范围较宽；刀盘与切口环对齐，适用范围居中。刀盘与前盾间隙为30mm，刀盘厚度与土舱长度有关。4、刀盘支承方式刀盘支承方式可分为中心支承式、中间支承式、周边支承式三种。支承方式与盾构直径、土质对象、螺旋输送机、土体粘附状况等因素有关。刀盘不同支承方式的性能对比表5、刀具刀盘上配置有不同类型刀具，使盾构机能适应软土到硬岩各种地层的掘进。滚压类刀具：单刃滚刀、双刃滚刀、三刃滚刀等。切削类刀具：切刀、刮刀、齿刀、保径刀、超挖刀、中心鱼尾刀、贝壳刀等。滚刀在硬岩掘进时，采用滚刀破岩，滚刀破岩的特点是依靠刀具滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用达到破碎岩石的目的。根据形状不同，可分为盘形滚刀，球齿滚刀，楔齿滚刀等。盘形滚刀是刀圈为盘形的滚刀，根据刀刃多少又分为单刃滚刀、双刃滚刀和三刃滚刀。目前普遍使用的是单刃滚刀，盘形滚刀主要由刀圈、刀体、刀轴、轴承、密封等组成。刀圈断面形状有楔刃形和平刃形，刀刃角一般有60°、75°、90°、120°或平刃等，掘进硬岩时一般用较大刀刃角，掘进较软岩石时用较小刀刃角。对于特别软的岩层，刀刃角小容易嵌入岩层，增大刀刃角甚至做成平刃可以改善掘进效果。因平刃盘形滚刀与岩石表面接触面积磨损前后变化小，近年来平刃刀具使用逐渐增多。滚刀破岩机理当滚刀受载，刀刃切入围岩时，岩石表面首先产生局部变形并出现微观裂纹，此过程为岩石的初期破碎，当载荷继续增加，滚刀切入岩石深度也相应的加深，在滚刀刃端的岩石粉碎破碎，并且又重新被碾压，围观裂纹在刀刃两侧较快发展，一些裂纹开始延伸到岩石表面，最后形成几道主要裂纹并迅速发展，便形成体积较大的岩石碎块，继而崩落。滚刀的安装形式切刀是软土刀具，布置在刀盘开口槽的两侧，其切削原理是盾构向前推进的同时，切刀随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向(沿隧道前进方向)剪切力和径向(刀盘旋转切线方向)切削力，在刀盘的转动下，通过刀刃和刀头部分插入到地层内部，象犁子犁地一样切削地层。切削机理示意图如下。切刀切刀安装形式边缘刮刀边缘刮刀位于刀盘弧形周边，在软土地层中用于刮削土体，在岩石地层中用于刮渣，起装载作用。齿刀适用于土层及软岩地层。安装方式与滚刀相同。超挖刀（仿形刀）超挖刀（仿形刀）是为曲线推进、转弯、纠偏而设计的，安装在刀盘的边缘上，通过一个液压油缸来控制刀的伸出量。鱼尾中心刀软土地层掘进时，中心部位不能布置切刀，布置鱼尾刀可改善中心部位土体的切削和搅拌效果。6、刀具布置主要原则：尽可能保证刀盘和刀具的受力均匀，使作用在大轴承上的径向载荷尽量减小到最低。切刀全断面双向布置在主梁的两侧，使整个掌子面都在切刀的切削范围内，保证刀盘不论正反转都能全断面切削土体。使每把盘形滚刀破岩时所受的负荷尽量相等，即每把刀的破岩量相等，保证刀刃两侧的侧向反力能相互平衡；前面的刀具能为后面的刀具提供破岩临空面，形成前后滚刀顺次破岩。刀具布置方式：同心圆布置和阿基米德螺旋线布置方式。刀间距中心滚刀：8把，刀间距：90mm，刀高：175mm正面滚刀：22把，刀间距：95mm，刀高：175mm。边缘滚刀：8把切刀：64把，刀间距：150mm，刀宽：160mm，刀高：140mm边缘刮刀：32把（左右各16把）保径刀：8把刀盘开挖直径：6280mm边缘刮刀开挖直径：6270mm保径刀开挖直径：6260mm刀盘外径：6250mm典型刀盘的刀具布置：7、泡沫注入口向刀盘掌子面及土舱内注入泡沫或膨润土等材料，改善渣土流塑性及抗渗性。泡沫注入口数量与刀盘直径、支承方式及刀盘形状等有关。8、回转接头回转接头分为泡沫接头、液压接头、电气接头三部分，回转接头固定于刀盘小法兰上。9、支腿焊接支腿：采Q345C钢板拼焊而成。铸造支腿：整体铸造成形二、刀盘制作过程下料-刀盘体铆焊－机加－刀座铆焊－刀具安装－组装调试刀盘焊接内容包含：刀盘主体结构、刀箱、刀座、管路焊接、耐磨板等；主体结构焊接主要分辐条与面板结构焊接、支腿等焊接。1、焊接结构顺序及辅助工装使用焊接结构要求：刀箱、支腿、辐条与大圆环及面板等焊接同步进行；然后将各零部件组焊。刀盘支腿、支腿与面板以及支腿与法兰之间的焊缝为I级焊缝，所有刀箱焊缝以及刀箱与面板连接的焊缝为II级焊缝；其余未注焊缝为Ⅲ级；所有I级、Ⅱ级焊缝应进行100%UT检测，按JB4730合格进行验收;所有Ⅲ级焊缝应进行20%UT检测，整体焊缝应作100%MT检测，都按JB4730-Ⅲ级为合格进行验收。焊缝需求等级为Ⅱ级焊缝；焊接尺寸需预留3mm焊接收缩量。刀箱焊接需要辅助支撑加固；焊前预热，预热温度为100～150℃；平焊位置；焊接工艺℃；参数：ER50-6，φ1.2，I=180～320A，U=20～32V,L=15～20L/MIN；层间温度100～2502、刀箱焊接焊缝需求等级为Ⅱ级焊缝；焊接尺寸需预留3mm焊接收缩量。刀箱焊接需要辅助支撑加固；向上立焊位置；焊接工艺参数：ER50-6，φ1.2，I=160～220A，U=20～25V,L=15～20L/MIN；层间温度100～250℃；平焊位置；焊接工艺参数：ER50-6，φ1.2，I=180～320A，U=19～32V,L=15～20L/MIN；层间温度100～250℃；3、中心十字刀箱焊接焊缝需求等级为Ⅰ级焊缝；支腿焊接需要辅助支撑加固；焊前预热，预热温度为150～200℃焊接工艺参数：ER50-6，φ1.2，I=240～330A，U=24～33V,L=15～20L/MIN；控制层间温度100～250℃；4、支腿焊接导轨焊接：焊接要求保证尺寸，保证内腔尺寸，平面度及垂直度，定位尺寸通过加工台阶保证，通过控制焊接工艺参数以及辅助工装来控制焊接变形。5、超挖刀组件焊接焊缝需求等级为Ⅰ级焊缝；焊接时注意控制变形，需加辅助支撑加固。焊接前预热温度为150～200℃，焊接工艺参数：ER50-6，φ1.2，I=240～330A，U=24～33V,L=15～20L/MIN；焊接时严格控制层间温度150～250℃6、支腿与法兰焊接焊缝需求等级为Ⅱ级焊缝；其余筋板焊接要求焊缝等级为Ⅲ级。此部分为刀盘前开挖部分，焊接顺序如下：1）铆焊前需确定刀盘圆心，放样划线；划出面板分布位置，大圆环定位线，十字刀箱定位线，划线时注意要标明圆心点位置；2）将面板十字刀箱按划线摆放正确，将中心圆环校正垫高150mm，然后将刀箱与中心圆环焊牢加固，用支撑将面板固定（要保证翻身时所需强度足够），焊接过程注意控制焊接参数以减少焊接变形。在大圆环及面板划与之相焊的刀箱、筋板位置线，由于每个刀箱的角度都不一样，要注意正确定好刀箱位置。7、面板、辐条与大圆环等焊接翻转刀盘，将板过渡板与大圆环点焊；在大圆环上气割出组装单刃滚刀刀箱和边缘刮刀位置的缺口，并修磨需焊接位置；焊接工艺参数：ER50-6，φ1.2，I=240～330A，U=2433V,L=15～20L/MIN；焊接时严格控制层间温度150～250℃。翻转刀盘：刀箱与大圆环组装、点焊；点焊后均匀加焊；此类焊缝为Ⅱ级焊缝；然后将其余前主体部分板按图位置点焊，焊接；焊接时要求保持对称焊接，以减小焊接过程中引起的变形；在以变形的地方要求加辅助支撑。刀盘大法兰组件与刀盘主体铆装点焊，要控制好大法兰与大圆环的同心度；此处焊缝要求等级为Ⅰ级，焊接前预热温度为150～200℃，焊接工艺参数：ER50-6，φ1.2，I=240～330A，U=24~33V,L=15～20L/MIN；焊接时严格控制层间温度150～250℃；然后将其余的刀盘主体结构板点焊、加焊。8、支腿法兰与刀盘体组焊刀盘主体结构焊接完成后需要经过去应力处理：铸造支腿需要经过时效处理；焊接支腿结构形式刀盘需要经过退火处理。在机加工之前需要进行喷砂、喷漆处理。刀盘转加工焊接前需调整刀盘水平；刀座焊接需要刀具工装，刀具工装与刀盘体组装后，要求工装位置调至水平、工装轴心与刀盘轴心一致。9、刀座焊接滚刀、齿刀装配：滚刀、齿刀装配时需要调整刀箱的水平、位置尺寸，高度尺寸175mm，要按刀座装刀工装来确定。滚刀由滚刀刀座装配工装替代，以加大装刀效率。刀箱调整需要通过M16螺栓与压板调整。切刀刀座、切刀刀座楔块与刀盘体铆装，铆装时必须把切刀装配到切刀刀座上，由刀具工装检验切刀位置，要求保证切刀高度尺寸140mm，定位后点焊；保径刀与刀盘体铆装，由刀具工装检验保径刀符合图纸的尺寸要求，定位后点焊；为了防止导轨再度变形，必须要控制好焊接工艺参数；焊接工艺参数：J507NiMA,φ4.0，I=130～170A;焊前焊条须经380-400℃烘焙1-2小时，随烘随用；采用短弧操作，窄道焊方法。超挖刀组件与刀盘焊接刀盘耐磨措施1、Hadox耐磨板2、SA1750CR信铬钢复合钢板3、耐磨焊1）管路焊接前需要进行水压试验：试验压力2Mpa，保压时间30min，无任何泄漏为合格；2）前端法兰焊接。刀盘管路焊接其他零部件的焊接，包含搅拌棒、刀盘吊耳，刀盘吊耳；吊耳焊接要求Ⅰ级焊缝。三、不同厂家刀盘展示