掘进机刀盘耐磨防护设计

掘进机刀盘耐磨防护设计

江川李庆龙徐东博朱振华

北方重工集团有限公司隧道掘进装备分公司辽宁沈阳110141

摘要:刀盘是隧道掘进机最重要的零部件之一，笔者通过实际工程及理论分析，阐述了掘进机刀盘设计过程中关于耐磨防护方面的设计要素，分析了刀盘不同部位所需的防护措施，对耐磨方案，地质要素进一步的探讨与总结，细化了刀盘耐磨设计的内容，讨论了刀盘上磨损检测的布置，通过对不同的刀盘结构进行对比，评价其对本体磨损的影响。

关键词：土压平衡盾构机，全断面硬岩掘进机，磨损，刀盘，刀盘本体

1.1刀盘正面耐磨与防护设计

硬岩掘进机在掘进过程中，由于石渣冲击和大石块的挤压，容易使刀盘表面产生较大的磨损，例如根据以往项目资料：秦岭隧道和桃花铺一号隧道掘进12Km后，刀盘正面原40mm厚的基础上磨损了将近10mm,即平均每掘进1km磨损约1mm，对于刀盘强度特别是对焊缝的强度削弱较大，危及刀盘的正常使用。

对于刀盘正面耐磨设计有两种形式，一种是正面大面积的耐磨堆焊，另一种是加焊耐磨板，现在第一种形式除非是小直径的刀盘其余基本已不再采用，无论是土压刀盘还是硬岩刀盘都采用本体表面加焊耐磨板的形式。

正面耐磨板的厚度和材料可以有多种选择，一般厚度10mm~20mm，现在刀盘耐磨板使用的趋势是硬度尽量硬，内部碳化铬的奥氏体结晶尽量大，厚度尽量薄，降低重量，同时要考虑可焊性，并兼顾成本的要求。其焊接形式最好将较大的整块耐磨板分割成一定尺寸的小块再进行焊接，小块耐磨板的尺寸为300mmx300mm左右，间距50mm左右，这样焊接防止焊缝过长导致耐磨板变形，且过大的耐磨板容易在掘进过程中受到冲击而脱落。小块的耐磨板便于在使用过程中维护，同时为防止其受到渣石岩块的猛烈撞击而剥落，建议去掉耐磨板方块的尖角，倒R30左右的圆角，并且尽量采用坡口焊进行焊接，采用角焊缝则容易被磨损。

1.2周围耐磨与防护设计

无论是土压类的刀盘还是硬岩刀盘，其周边的耐磨防护措施都极其重要。土压刀盘的外环耐磨板布置一般有两种方案，第一种是分成小块周围竖直布置（见图1），第二种是横向长条布置（见图2），这两种方案各有优缺点。

图1：四周耐磨板竖直布置图2：耐磨板横向长条布置

竖直布置在砂石，岩块较多的地层中有较为良好的效果，相对于横向布置的耐磨条，竖直布置的耐磨板厚度不宜过大，建议不要超过30mm厚，否则容易卡住石块，对耐磨板及刀盘本体造成不必要的破坏。

对于硬岩刀盘的设计中关于针对边缘耐磨的其它方面，在考虑到能够顺畅换滚刀的情况下，需要尽量将刀盘整体设计的扁平，这样减少硬岩刀盘边缘与围岩的接触长度，且在围岩不稳定的情况下减少刀盘旋转对不稳定围岩的扰动，同时减轻了刀盘的重量，节省材料。

1.3铲斗、排渣口、溜渣板等耐磨防护设计

硬岩刀盘的铲斗在铲入大量渣料过程中铲斗座容易受损，设计时建议直接将安装铲刀的刀座改为Hardox板或其他耐磨材料，并设计分体式的刀座，利于更换，在刀座附近添加必要的耐磨堆焊。

硬岩刀盘的刀盘内某些纵向筋板同时也是石渣流向主机胶带输送机的溜渣板，大量的石渣流动容易使得溜渣板受到损坏，刀盘的纵向筋板同时也是硬岩刀盘的主要承力结构，受到磨损时对于刀盘的整体受力有着不可忽视的影响，施工过程中溜渣板磨漏的情况也曾经发生过，而刀盘的纵向筋板一般为30-60mm厚。

大部分硬岩掘进机掘进时，对于某些夹杂泥灰较多的地质或隧道内围岩岩性较好时，确实可以省去刀盘溜渣板的耐磨设计，在溜渣板上会自然粘附岩灰形成泥层，具有天然的耐磨防护作用。但当岩石破碎坚硬（单轴不饱和抗压强度130Mpa~300Mpa），或掘进机掘进速度较快，地质石英含量较多时，溜渣板磨损的情况便时有发生，这时建议在溜渣板上增加5个厚，间距300x300的耐磨堆焊，或者采用材质坚硬的16mm厚的钢条在溜渣槽上间距焊接（Hardox或者65Mn）。

对于铲斗的入料口处，一般都会添加耐磨球形钉或耐磨堆焊等保护措施，并且当刀盘的铲斗数越多时，掘进机的掘进效率越高，入料口的磨损程度也降低，在结构上则尽量将入料口设计为有一定斜度的，这样能够极大降低入料处的磨损情况，并且当刀盘前方围岩坍塌时，这种设计减少了大石块卡住入料口，破坏铲齿的情况。

1.4磨损传感器与其他耐磨防护措施

在土压刀盘正面和侧面增加磨损检测是十分必要的，因为在掘进过程中盾构机停机换压开仓较为麻烦，不可能去目测刀盘前部的磨损状况，根据盾构掘进时观察参数的手段来预测刀盘面板的磨损情况需要经验，而且不一定准确。除了在刀盘面板上装磨损传感器，在刀盘外周与正面增加检测刮刀也是必要的配置，对于现在刀盘普遍应用的双层刮刀，将检测油路开到第一层刮刀即可，重点是刮刀磨损后能够及时的保护刮刀座。

根据布置刀盘正面磨损检测器的高度的不同，耐磨检测可以用来检测刀盘本体或者正面刮刀，但是根据目前的工程经验而言磨损检测器去检测刀盘的本体没有什么太好的效果，因为等到检测器磨损漏油时，刀盘本体其它部位可能早就受到了严重的侵磨，提高磨损检测器的高度，用来检测刮刀是更为可行的方法。

对于硬岩刀盘其它的防护措施，主要是针对滚刀采取特殊的保护办法，一般依靠焊接耐磨保护块来保护滚刀刀鼓，这里根据经验建议保护块的高度距离开挖面不能超过60mm，保护块如果能够完全包络滚刀的刀鼓，效果会更好。另一方面，在刀盘前部设计便于更换的喷水装置除了有降低滚刀轴承温度，降灰的作用，同时也有助于刀盘表面凝集灰尘，起到一定的耐磨防护功能。

结语

刀盘设计是掘进机总体设计中的重要环节，根据地质条件选择不同的方案：刀盘基本结构、刀具种类、布置刀具轨迹是重要的设计要素，设计人员需要丰富经验和理论，目前有很多论文著作也都在讨论这些内容，而对于刀盘本体耐磨防护设计中的一些细节往往一笔带过，尽管其不是影响工程成败的主要因素，但也是极为重要的，是值得深入讨论下去的设计环节，笔者抛砖引玉，希望未来能有人对刀盘本体及刀具的防护问题上有更深入的研究，和更加优秀的设计。

参考文献：

[1]秦立学徐慧高伟贤赵圣国王建刚盾构机刀盘的设计[J]矿山机械2011,39(12):114-117.