[學習]盾構關鍵部件刀盤結構及耐磨材料及加工

1、,,,,,,,,,,盾構關鍵部件介紹,刀盤結構及耐磨材料,提綱,一、刀盤結構介紹二、刀盤制作過程介紹三、不同廠家刀盤展示,盾構機是在地面以下暗挖隧洞的一種機械設備，主要是通過刀盤對掌子面巖土進行開挖。其中刀盤的主要功能是： 1、開挖掌子面巖土； 2、穩(wěn)定掌子面； 3、攪拌土體。,盾構機在施工過程中會遇到各種不同地層，如淤泥、粘土、砂層、軟巖、硬巖等式。作為盾構關鍵部件之一的刀盤工作環(huán)境惡劣，受力復雜。刀盤結

2、構形式與工程地質情況密切相關，不同地層應采用不同的刀盤結構形式。,一、刀盤結構,1、刀盤結構組成,刀盤主要由刀盤體、刀具、磨損檢測器、攪拌棒、泡沫管路等零部件組成。刀盤體由鋼結構焊接而成，刀具有滾刀(齒刀)、切刀、邊緣刮刀、超挖刀、保徑刀等。,（1）縱斷面形狀 刀盤縱斷面形狀大致有以下幾種：垂直平面形；突芯平面形；穹頂形；傾斜形；收縮形。,2、刀盤結構形式,7,（2）刀盤正面形狀 刀盤的正面形狀主要有面板形

3、、輻條形以及介于兩者之間的輻板形。,優(yōu)點：面板直接支隨掘削面，有擋土功能，有利于掘削面穩(wěn)定；缺點：掘削粘土層時，晚發(fā)生粘土粘附面板表面，妨礙刀盤旋轉，影響掘削 質量，防止措施是外加添加材料等。,面板式（開口率相對較?。?8,輻條式優(yōu)點：刀盤掘削扭矩小，排 土容易，土艙壓力能 有效作用于掘削面 缺點：對于地下水壓大，易坍塌土質，易噴水噴泥,輻條式（開口率大）,具

4、體應用哪種形式刀盤應根據(jù)施工條件及地質情況等因素決定，一般而言，土壓平衡盾構根據(jù)地質條件可選用輻條式、面板式和輻板式，泥水平衡盾構一般采用面板式或輻板式。,輻板式（開口率居中）,3、刀盤與切口環(huán)的位置關系,刀盤與切口環(huán)的位置關系有三種形式，刀盤位于切口環(huán)內，主要適用于軟弱地層；刀盤外沿凸出切口環(huán)，適用于土質范圍較寬；刀盤與切口環(huán)對齊，適用范圍居中。,刀盤與前盾間隙為30mm，刀盤厚度與土艙長度有關。,4、刀盤支承方式,刀盤支承方式

5、可分為中心支承式、中間支承式、周邊支承式三種。支承方式與盾構直徑、土質對象、螺旋輸送機、土體粘附狀況等因素有關。,刀盤不同支承方式的性能對比表,5、刀具,刀盤上配置有不同類型刀具，使盾構機能適應軟土到硬巖各種地層的掘進。滾壓類刀具：單刃滾刀、雙刃滾刀、三刃滾刀等。切削類刀具：切刀、刮刀、齒刀、保徑刀、超挖刀、中心魚尾刀、貝殼刀等。,滾刀,在硬巖掘進時，采用滾刀破巖，滾刀破巖的特點是依靠刀具滾動產生沖擊壓碎和剪切碾碎的作用達到破碎巖石

6、的目的。根據(jù)形狀不同，可分為盤形滾刀，球齒滾刀，楔齒滾刀等。盤形滾刀是刀圈為盤形的滾刀，根據(jù)刀刃多少又分為單刃滾刀、雙刃滾刀和三刃滾刀。目前普遍使用的是單刃滾刀，盤形滾刀主要由刀圈、刀體、刀軸、軸承、密封等組成。,刀圈斷面形狀有楔刃形和平刃形，刀刃角一般有60°、75°、90 °、120 °或平刃等，掘進硬巖時一般用較大刀刃角，掘進較軟巖石時用較小刀刃角。對于特別軟的巖層，刀刃角小容易嵌入巖層，增

7、大刀刃角甚至做成平刃可以改善掘進效果。因平刃盤形滾刀與巖石表面接觸面積磨損前后變化小，近年來平刃刀具使用逐漸增多。,滾刀破巖機理,當滾刀受載，刀刃切入圍巖時，巖石表面首先產生局部變形并出現(xiàn)微觀裂紋，此過程為巖石的初期破碎，當載荷繼續(xù)增加，滾刀切入巖石深度也相應的加深，在滾刀刃端的巖石粉碎破碎，并且又重新被碾壓，圍觀裂紋在刀刃兩側較快發(fā)展，一些裂紋開始延伸到巖石表面，最后形成幾道主要裂紋并迅速發(fā)展，便形成體積較大的巖石碎塊，繼而崩落。,滾

8、刀的安裝形式,切刀是軟土刀具，布置在刀盤開口槽的兩側，其切削原理是盾構向前推進的同時，切刀隨刀盤旋轉對開挖面土體產生軸向(沿隧道前進方向)剪切力和徑向(刀盤旋轉切線方向)切削力，在刀盤的轉動下，通過刀刃和刀頭部分插入到地層內部，象犁子犁地一樣切削地層。切削機理示意圖如下。,切刀,切刀安裝形式,邊緣刮刀,邊緣刮刀位于刀盤弧形周邊，在軟土地層中用于刮削土體，在巖石地層中用于刮渣，起裝載作用。,齒刀,適用于土層及軟巖地層。安裝方式與滾刀相同。

9、,24,超挖刀（仿形刀）,超挖刀（仿形刀）是為曲線推進、轉彎、糾偏而設計的，安裝在刀盤的邊緣上，通過一個液壓油缸來控制刀的伸出量。,魚尾中心刀,軟土地層掘進時，中心部位不能布置切刀，布置魚尾刀可改善中心部位土體的切削和攪拌效果。,6、刀具布置,主要原則： 盡可能保證刀盤和刀具的受力均勻，使作用在大軸承上的徑向載荷盡量減小到最低。 切刀全斷面雙向布置在主梁的兩側，使整個掌子面都在切刀的切削范圍內，保證刀盤不論正反轉都能全斷面切削土

10、體。 使每把盤形滾刀破巖時所受的負荷盡量相等，即每把刀的破巖量相等，保證刀刃兩側的側向反力能相互平衡；前面的刀具能為后面的刀具提供破巖臨空面，形成前后滾刀順次破巖。,刀具布置方式：同心圓布置和阿基米德螺旋線布置方式。,刀間距,中心滾刀：8把，刀間距：90mm，刀高：175mm正面滾刀：22把，刀間距：95mm，刀高：175mm。邊緣滾刀：8把切刀：64把，刀間距：150mm，刀寬：160mm，刀高：140mm邊緣刮刀：32把

11、（左右各16把）保徑刀：8把刀盤開挖直徑：6280mm邊緣刮刀開挖直徑：6270mm保徑刀開挖直徑：6260mm刀盤外徑：6250mm,典型刀盤的刀具布置：,7、泡沫注入口,向刀盤掌子面及土艙內注入泡沫或膨潤土等材料，改善渣土流塑性及抗?jié)B性。泡沫注入口數(shù)量與刀盤直徑、支承方式及刀盤形狀等有關。,8、回轉接頭,回轉接頭分為泡沫接頭、液壓接頭、電氣接頭三部分，回轉接頭固定于刀盤小法蘭上。,9、支腿,焊接支腿：采Q345C鋼板拼焊

12、而成。,鑄造支腿：整體鑄造成形,二、刀盤制作過程,下料-刀盤體鉚焊－機加－刀座鉚焊－刀具安裝－組裝調試,刀盤焊接內容包含：刀盤主體結構、刀箱、刀座、管路焊接、耐磨板等； 主體結構焊接主要分輻條與面板結構焊接、支腿等焊接。,1、焊接結構順序及輔助工裝使用,焊接結構要求：刀箱、支腿、輻條與大圓環(huán)及面板等焊接同步進行；然后將各零部件組焊。 刀盤支腿、支腿與面板以及支腿與法蘭之間的焊縫為I級焊縫，所有刀箱焊縫以及刀箱與面

13、板連接的焊縫為II級焊縫；其余未注焊縫為Ⅲ級； 所有I級、Ⅱ級焊縫應進行100%UT檢測，按JB4730合格進行驗收;所有Ⅲ級焊縫應進行20%UT檢測，整體焊縫應作100%MT檢測，都按JB4730-Ⅲ級為合格進行驗收。,焊縫需求等級為Ⅱ級焊縫；焊接尺寸需預留3mm焊接收縮量。 刀箱焊接需要輔助支撐加固； 焊前預熱，預熱溫度為100～150℃； 平焊位置；焊接工藝℃；參數(shù)：ER50-6，φ

14、1.2，I=180～320A，U=20～32V,L=15～20L/MIN；層間溫度100～250,2、刀箱焊接,焊縫需求等級為Ⅱ級焊縫；焊接尺寸需預留3mm焊接收縮量。 刀箱焊接需要輔助支撐加固；向上立焊位置；焊接工藝參數(shù)：ER50-6，φ1.2，I=160～220A，U=20～25V,L=15～20L/MIN；層間溫度100～250℃；平焊位置；焊接工藝參數(shù)：ER50-6，φ1.2，I=180～320A，U=19～32

15、V,L=15～20L/MIN；層間溫度100～250℃；,3、中心十字刀箱焊接,焊縫需求等級為Ⅰ級焊縫； 支腿焊接需要輔助支撐加固； 焊前預熱，預熱溫度為150～200℃ 焊接工藝參數(shù)：ER50-6，φ1.2，I=240～330A，U=24～33V,L=15～20L/MIN；控制層間溫度100～250℃；,4、支腿焊接,導軌焊接：焊接要求保證尺寸，保證內腔尺寸，平面度及垂直度，定位尺寸通過加工

16、臺階保證，通過控制焊接工藝參數(shù)以及輔助工裝來控制焊接變形。,5、超挖刀組件焊接,焊縫需求等級為Ⅰ級焊縫；焊接時注意控制變形，需加輔助支撐加固。焊接前預熱溫度為150～200℃，焊接工藝參數(shù)：ER50-6，φ1.2，I=240～330A，U=24～33V,L=15～20L/MIN；焊接時嚴格控制層間溫度150 ～ 250℃,6、支腿與法蘭焊接,焊縫需求等級為Ⅱ級焊縫；其余筋板焊接要求焊縫等級為Ⅲ級。 此部分為刀盤前開挖部分，焊接順

17、序如下： 1）鉚焊前需確定刀盤圓心，放樣劃線； 劃出面板分布位置，大圓環(huán)定位線，十字刀箱定位線，劃線時注意要標明圓心點位置； 2）將面板十字刀箱按劃線擺放正確，將中心圓環(huán)校正墊高150mm，然后將刀箱與中心圓環(huán)焊牢加固，用支撐將面板固定（要保證翻身時所需強度足夠），焊接過程注意控制焊接參數(shù)以減少焊接變形。 在大圓環(huán)及面板劃與之相焊的刀箱、筋板位置線，由于每個刀箱的角度都

18、不一樣，要注意正確定好刀箱位置。,7、面板、輻條與大圓環(huán)等焊接,翻轉刀盤，將板過渡板與大圓環(huán)點焊；在大圓環(huán)上氣割出組裝單刃滾刀刀箱和邊緣刮刀位置的缺口，并修磨需焊接位置；焊接工藝參數(shù)：ER50-6，φ1.2，I=240～330A，U=2433V,L=15～20L/MIN；焊接時嚴格控制層間溫度150 ～ 250 ℃。,翻轉刀盤：刀箱與大圓環(huán)組裝、點焊；點焊后均勻加焊；此類焊縫為Ⅱ級焊縫；然后將其余前主體部分板按圖位

19、置點焊，焊接；焊接時要求保持對稱焊接，以減小焊接過程中引起的變形；在以變形的地方要求加輔助支撐。,刀盤大法蘭組件與刀盤主體鉚裝點焊，要控制好大法蘭與大圓環(huán)的同心度； 此處焊縫要求等級為Ⅰ級，焊接前預熱溫度為150～200℃，焊接工藝參數(shù)：ER50-6，φ1.2，I=240～330A，U=24~33V,L=15～20L/MIN；焊接時嚴格控制層間溫度150 ～ 250 ℃；然后將其余的刀盤主體結構板點焊、

20、加焊。,8、支腿法蘭與刀盤體組焊,刀盤主體結構焊接完成后需要經過去應力處理：鑄造支腿需要經過時效處理；焊接支腿結構形式刀盤需要經過退火處理。在機加工之前需要進行噴砂、噴漆處理。刀盤轉加工,焊接前需調整刀盤水平；刀座焊接需要刀具工裝，刀具工裝與刀盤體組裝后，要求工裝位置調至水平、工裝軸心與刀盤軸心一致。,9、刀座焊接,滾刀、齒刀裝配：滾刀、齒刀裝配時需要調整刀箱的水平、位置尺寸，高度尺寸175mm，要按刀座裝刀工裝來確定。

21、 滾刀由滾刀刀座裝配工裝替代，以加大裝刀效率。 刀箱調整需要通過M16螺栓與壓板調整。,切刀刀座、切刀刀座楔塊與刀盤體鉚裝，鉚裝時必須把切刀裝配到切刀刀座上，由刀具工裝檢驗切刀位置，要求保證切刀高度尺寸140mm，定位后點焊；保徑刀與刀盤體鉚裝，由刀具工裝檢驗保徑刀符合圖紙的尺寸要求，定位后點焊；,為了防止導軌再度變形，必須要控制好焊接工藝參數(shù)；焊接工藝參數(shù)：J507NiMA,φ4.0，I=130～170A;焊前焊條須經380-