盾构掘进机破岩刀具_精品文档.ppt
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盾构掘进机刀具综述盾构掘进机刀具综述晁焕清晁焕清王汉章王汉章邹恒邹恒洛阳九久技术开发有限公司洛阳九久技术开发有限公司主要内容主要内容1.盾构机刀具的类型和破岩机理2.盾构机刀具的结构3.盘型滚刀的材料和性能4.刮刀的结构和性能5.盾构机刀具的应用及对地层的适应性6.提高盾构机刀具寿命的途径1盾构机刀具的类型和破岩机理盾构机刀具的类型和破岩机理1.1盾构机刀具常用类型盾构机刀具常用类型目前使用的刀具一般分为两大类:
刮削刀具、滚动刀具刮削刀具刮削刀具(刮刀、割刀刮刀、割刀)刮削刀具是指只随刀盘转动而没有自转的破岩刀具,刮削刀具的种类繁多,目前盾构掘进机上常用的刮削刀具类有边刮刀、刮刀、切刀、齿刀、先行刀、仿形刀、刮板等。
滚动刀具滚动刀具(滚刀滚刀)滚动刀具是指不仅随刀盘转动,还同时作自转运动的破岩刀具。
根据刀刃的形状滚刀可分为:
齿形滚刀(钢齿和球齿)、盘形滚刀(钢刀圈滚刀和球齿刀圈滚刀)。
见图根据安装位置滚刀可分为:
正滚刀、中心滚刀、边滚刀、扩孔滚刀。
目前盾构掘进机滚刀主要是盘形滚刀,盘形滚刀又有单刃、双刃和多刃。
1.2刀具破岩机理刀具破岩机理刮削类刀具的工作原理刮削类刀具的工作原理在刀盘推力的作用下,刮刀嵌如岩渣或岩层中,刀盘带动刀具转动时刮削岩层,在掌子面形成一环环犁沟,特点是效率高,刀盘转动阻力大。
在软土地层或滚刀破碎后的渣土通过刮刀进行开挖,渣土随刮刀正面进入渣槽,因此刮刀既具有切削的功能也具有装载的功能。
盘形滚刀工作原理盘形滚刀工作原理刀盘在纵向油缸施加的推力作用下,使其上的盘形滚刀压入岩石;刀盘在旋转装置的驱动下带动滚刀绕刀盘中心轴公转,同时各滚刀还绕各自的刀轴自转,使滚刀在岩面上连续滚压。
刀盘施加给刀圈推力和滚动力(转矩),推力使刀圈压入岩体,滚动力使刀圈滚压岩体。
通过滚刀对岩体的挤压和剪切使岩体发生破碎,在岩面上切出一系列的同心圆(见图)。
各类刀具的主要破岩机理刀具类型刮刀楔齿滚刀球齿滚刀盘形滚刀主要破岩机理刮削剪切龟裂挤压研磨运动形式滑动滚动+微滑滚动+滑动滚动+滑动刀齿形状刨刀状楔状球面状楔状2盾构机滚刀的结构盾构机滚刀的结构滚刀结构如图所示。
它们主要由刀圈、刀体(套)、刀轴、轴承、金属浮动密封环、刀盖(座)及联接螺栓等件组成。
21滚刀的内部结构滚刀的内部结构是保证滚刀工作时正常旋转的关键,通常是由轴承、密封、润滑油脂组成。
根据刀具的发展,大体经历了三个阶段,即有三种结构。
22刀具安装结构安装结构是为了把滚刀即方便又可靠的安装在刀盘上。
常用的安装形式有如下几种。
23刀具刀刃结构形状刀刃是用来破岩的,通常有齿形和盘形两大类,每一类往往又有多种不同的刀刃形状。
如下图.3.盘型滚刀的材料和性能3.1刀圈的材料刀圈的材料根据刀圈的工作条件,刀圈材料应满足以下性能:
1)高的屈服强度,避免刀刃端在高应力下压溃变形;2)足够高的硬度,增加耐磨性,减少刀圈磨损;3)良好的冲击韧性,提高材料裂纹扩展功,防止刀圈断裂;4)良好的抗回火性能,提高材料的热稳定性,保证刀圈在热装和滚压岩体过程中不降低硬度。
5)良好的热加工和冷加工的工艺性能,材料成本低,制造方便,提高产品合格率。
目前的滚刀刀圈有两大类:
整体耐磨钢材料和镶有硬质合金球齿的刀具材料。
整体耐磨钢刀圈材料主要以合金工具钢为主,也有合金结构钢,硬度在HRC52-59,它的特点是可以承受较大的冲击,并具有较高的耐磨性能,刀具制造费用较低,适用地层范围广,从软岩、中硬岩到硬岩都可选用。
常用刀圈材料成分类别CSiMnPSCrMoVNiCu9Cr2Mo0.85-0.950.2-0.40.2-0.40.030.031.4-2.00.2-0.46Cr4Mo2W2V0.5-0.70.2-0.40.2-0.40.010.023.5-4.52.0-3.01.0-1.54Cr5MoSiV10.32-0.420.2-0.50.8-1.24.75-5.51.1-1.750.8-1.2Robbins刀圈实测0.390.530.650.0180.0090.840.241.620.25Wirth刀圈实测0.500.760.320.0320.0195.151.170.720.250.13各国工具钢材料标准比较标准牌号CMnSiCrMoVGB4Cr5MoSiV10.32-0.420.2-0.50.8-1.24.75-5.51.1-1.750.8-1.2DINX40CrMoV510.37-0.420.3-0.50.9-1.24.8-5.51.2-1.50.9-1.1JISSKD610.32-0.420.50.8-1.24.5-5.51.0-1.50.8-1.2NFX40CrMoV50.36-0.440.2-0.50.8-1.24.8-5.51.2-1.50.85-1.15ASTMH130.32-0.450.2-0.50.8-1.24.75-5.51.1-1.750.8-1.2各国合金结构钢材料标准比较标准牌号CMnSiCrMoNiGB40CrNiMoA0.37-0.440.5-0.80.17-0.370.6-0.90.15-0.25DIN36CrNiMo40.32-0.400.5-0.80.40.9-1.20.15-0.30.9-1.2JISSNCM4390.36-0.430.6-0.90.15-0.350.6-1.00.15-0.301.6-2.0NF40NCD30.37-0.440.6-0.90.40.9-1.20.15-0.31.3-1.7ASTM43400.38-0.430.6-0.80.15-0.350.7-0.90.2-0.31.65-2.0国外刀圈性能表2类别b(Mpa)5%aK(J/Cm2)HRCX50CrMoV51(Wirth刀圈实测)20505.5101454574340Robbins刀圈实测405253通过对国外刀圈解剖分析和我们的研究,各刀圈制造公司对标准材料都会作适当调整,并采用特殊的冶炼工艺、锻造工艺和热处理工艺,保证刀圈的综合性能。
球齿刀圈是在钢基体上镶嵌硬质合金刀头,硬质合金刀头呈球状或楔状,硬质合金硬度为HRA85-88。
一般认为,抗压强度超过175Mpa的坚硬岩采用球齿刀圈,它很好地解决了刀圈硬度(主要由合金球头满足硬度)和韧性(刀圈基体不要求太高硬度,韧性增加)的矛盾,其寿命是钢刀圈的3-5倍。
但制造成本较高。
3.2刀具密封装置:
刀具密封装置:
密封是保证滚刀内腔的润滑剂不漏出并防止外来物进入,对保证轴承正常工作和延长工作寿命是十分重要的。
采用金属浮动密封环密封。
金属浮动密封环密封属于机械端面密封的一种,这种密封在均匀载荷、润滑优良的条件下试验寿命高达5000h。
由于滚刀作业受力的复杂多变、使用环境恶劣,有一定的外部介质压力等,使用寿命会降低很多,但还是能满足滚刀使用要求的。
这种密封由两个啮合的金属密封环和两个富有弹性的复合橡胶密封圈组成。
具有浮动能力,可补偿装配端间隙或防止偏斜。
金属密封环是密封装置中的主要零件,其结构及质量的好坏起决定性作用。
金属密封环采用高硬度的耐磨高铬钼的铸铁材料,硬度HRC60-65,工作表面粗糙度Ra0.1um,表面平面度0.0015mm。
这种金属密封环其特点如下:
采用4度导油斜面及大曲率半径球面环与平面环结构,有利于形成油膜,以保证轴承润滑油不泄漏及阻止泥土进入轴承腔;采用高光洁度及硬度工作面,减少了摩擦阻力,使工作面贴合良好,提高密封性能;(3)浮动密封环采用的复合橡胶0型密封圈,具有可压缩性大及回弹性好等特点。
始终对金属环施加压力,让金属环工作面始终接触,保证轴承润滑油不泄漏及阻止泥土进入轴承腔,起到密封效果。
滚刀橡胶密封件性能指标项目浮封环用0型密封圈其它位置O形密封圈硬度(邵尔A型)605705扯断强度MPa最小911扯断伸长率最小300220压缩水久变形最大(空气10022h)40353.3刀具轴承刀具轴承滚柱滚珠轴承滚柱滚珠轴承早期使用范围最广的刀具轴承是滚柱滚珠轴承,它用滚柱承受很高的径向载荷和冲击载荷,用滚珠承受推力,把滚刀和轴承固定在一起。
滚刀体和轴起滚道的作用,两者均用优质合金钢做成,经硬化和研磨处理。
由于这种刀具拆卸维修不方便,在盾构掘进机滚刀上已普遍被圆锥滚子轴承代替。
圆锥滚子轴承圆锥滚子轴承这类轴承采用锥形滚柱和滚道,具有以下的优点:
1)能同时承受径向载荷和轴向推力;2)就相同的轴承尺寸而言,承载能力更大,相对寿命更长;3)调节性能:
不管是轴向游隙还是预加负荷,均能按设计要求达到最佳性能;4)其锥型结构而固有的自动移油特点,能从滚道接触区域除去任何微粒沾染物,大大降低了受工作环境污染物的影响;5)与其他类型的磙子轴承相比,因纯滚动效果较佳,摩擦系数减少,速度提高;6)由于其内外滚道可分离,安装和拆卸十分简便;由于圆锥滚子轴承具有上述一系列的优点,能很好满足滚刀的工况要求。
目前国外滚刀生产厂家大多选用美国铁姆肯(TIMKEN)和日本NTN等公司的轴承。
17双盘正滚刀轴承:
型号HH224334/224335HH224310:
额定动负荷C=630kN,额定静负荷C0=906kN;17双盘中心滚刀边滚刀轴承:
型号H924045-H924010):
额定动负荷C=453kN,额定静负荷C0=610kN。
由于进口轴承价格高、交货期长,九久公司和轴研所、轴承厂合作已制造出滚刀用轴承,使用性能正逐渐被用户接受。
目前生产刀具轴承的材料是低碳铬镍钢如20CrNi3Mo,常常通过特殊的冶炼工艺保证钢材的纯净度,通过深层渗碳热处理工艺,保证表面HRC58-60,芯部HRC43-45。
刀具轴承的寿命受润滑条件、装配预紧量、载荷特性、内在质量等影响,但主要和工作载荷大小、转速有关,负荷加倍,寿命将降低大约90%,负荷减半,寿命将增加10倍;转速加倍,寿命将降低一半,速度减半,寿命将增加一倍。
刀盘设计和刀具选用时一定要考虑轴承的这一特性。
4.刮刀的结构和材料刮刀的结构和材料刮刀是由刀座、刀体和刀刃三部分组成的,刀座是与刀盘连接的部分,与刀盘的连接有焊接如先行刀、螺栓连接如边刮刀、插销接如正面刮刀,替换滚刀部位的齿刀或切刀与滚刀的安装方式相同。
刀座有的是与刀体成一体的,有的是与刀体焊接的。
与刀体焊接的刀座材料一般是低碳低合金钢。
刀体对硬质合金刀刃起支撑和保护作用,要有足够的强度和耐磨性,通常选用中碳中合金钢或空淬钢,使硬度达到HRC40以上,也常常采用表面硬化技术或局部堆焊耐磨层。
刮刀刃是刮刀刮削岩土和保护刀体不被磨损的关键部位,通常是用硬质合金做成的,硬质合金的型号为YG11C。
其大小和形状根据部位、作用、地层设计。
刀刃与刀体的的连接是关键,具体工艺有钎焊、镶嵌和镶嵌焊,连接强度要求大于250MPa。
钎焊时,焊料和焊接方法、工艺是很关键的,焊料有铜基和银基两大类,焊接方法有高频焊和真空焊等。
几种刀具的推荐使用范围分类抗压强度MPa典型岩石刀具型式软土,软岩45页岩粘土泥岩刮刀;齿刀;楔齿滚刀中软岩45-85石灰岩砂岩大理石火山岩凝灰岩盘形滚刀;楔齿滚刀中硬岩85180白云石片麻岩花岗岩片岩长石盘形滚刀;球齿滚刀硬岩180闪绿岩硅岩角闪岩硬质粘土岩玄武岩燧石砾岩盘形滚刀球齿盘形滚刀5.盾构机刀具的应用及对地层的适应性盾构机刀具的应用及对地层的适应性5.1盾构掘进机刀具在国内的应用盾构掘进机刀具在国内的应用目前我国在地铁、引水工程、铁路隧道和过江隧道等工程中大量应用盾构掘进机,其刀具应用很普遍。
主要以进口为主,各施工单位先后购进了威尔特、海瑞克、罗宾斯、三菱、小松、旁万利、黑金刚等世界先进厂家的盾构掘进机刀具,已成为盾构掘进机刀具应用大国。
主要以17滚刀为主,也有19规格的。
国内也先后有多个厂家参与刀具研制,如一重、戚所、南齿、洛阳九久、江钻等。
国内主要工程应用国外刀具情况工程名称厂家刀具种类铁路隧道维尔特17盘形滚刀刮板地铁旁万利17双刃中心滚刀17双刃正滚刀17单刃正滚刀各类刮刀三菱小松维尔特罗宾斯海瑞克黑金刚引水工程维
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