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某地鐵工程盾構(gòu)機(jī)滾刀失效分析
2024-11-01
盧慶亮,，袁乃強(qiáng)
（濟(jì)南重工集團(tuán)有限公司）
摘 要：隨著國(guó)內(nèi)軌道交通建設(shè)的不斷推進(jìn),，盾構(gòu)施工技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。滾刀作為盾構(gòu)施工的關(guān)鍵零部件,，其工作效率和失效形式與施工地質(zhì)條件有直接關(guān)系,，并對(duì)施工進(jìn)度和安全性具有重要的影響。以某地鐵工程盾構(gòu)掘進(jìn)施工為例,分析該區(qū)間段復(fù)雜的地質(zhì)條件,根據(jù)實(shí)際情況分析盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中滾刀的失效形式和失效原因,并對(duì)刀圈的硬度和材質(zhì)選擇進(jìn)行簡(jiǎn)要討論,。結(jié)果表明,，在該地段施工過(guò)程中滾刀的失效形式主要為刀圈偏磨、刀圈卷刃,、刀圈斷裂,、刀圈崩刃、刀圈脫落,、刀軸斷裂等,。
關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)；滾刀,；地質(zhì)條件,；失效類型；材質(zhì)
0 引言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速推進(jìn),，我國(guó)城市體量急劇增大,，城市公共交通壓力巨大，城市居民出行舒適度降低[1-4],。近年來(lái),，為了緩解城市巨大的交通壓力，建立城際立體化交通網(wǎng),，具有運(yùn)行速度快,、客流量大、噪音污染少,、消耗能量低等優(yōu)勢(shì)的地下快速軌道交通建設(shè)受到諸多城市的青睞[5-8],。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)大大提高了軌道交通的施工效率和施工質(zhì)量并降低了建設(shè)成本，因此逐漸成為軌道交通建設(shè)的主流設(shè)備。盾構(gòu)機(jī)刀盤作為切割地層向前推進(jìn)的關(guān)鍵零部件,一般配置切刀(齒刀,、刮刀),、先行刀(超前刀)、貝型刀,、中心刀(魚(yú)尾刀,、雙刃或三刃滾刀)、超挖刀,、滾刀等,。其中，滾刀刀圈主要作用是破巖,，一般分為齒形和盤形兩類[9],。本研究分析盾構(gòu)機(jī)在濟(jì)南某地段施工中出現(xiàn)的滾刀失效規(guī)律，以便在刀具選擇和提高刀具使用壽命方面提供依據(jù),。
1 工程概況
1.1 工程概述
該區(qū)間長(zhǎng)997 m,，共投入2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)同時(shí)施工。盾構(gòu)隧道為標(biāo)準(zhǔn)單洞單線圓形斷面,，線間距11.90～17.8m,，左、右線覆土厚度9.6～17.4 m,，最大坡度7.8‰,，最小坡度4‰，最小曲線半徑R=399.932 m,。
共計(jì)穿越18處建,、構(gòu)筑物及1處河道。隧道地層地質(zhì)復(fù)雜,，地下水豐富,，需穿越上軟下硬、孤石群,、全斷面硬巖,、裂隙及空洞地層，巖石為風(fēng)化閃長(zhǎng)巖或輝長(zhǎng)巖,，單軸抗壓強(qiáng)度最高達(dá)264 MPa,，地質(zhì)條件和周邊環(huán)境條件的復(fù)雜性國(guó)內(nèi)罕見(jiàn)；盾構(gòu)施工時(shí)易出現(xiàn)噴涌,、刀具及刀箱異常損壞等情況,，掘進(jìn)功效低、安全風(fēng)險(xiǎn)高,。
1.2 工程地質(zhì)
該區(qū)間地質(zhì)地層復(fù)雜,，短距離地層變化快,，同一斷面地層分布復(fù)雜，常出現(xiàn)大粒徑孤石,、空洞、強(qiáng)風(fēng)化閃長(zhǎng)巖及中風(fēng)化閃長(zhǎng)巖地層同時(shí)存在的情況,，對(duì)刀具損傷嚴(yán)重,，需要頻繁進(jìn)行開(kāi)倉(cāng)換刀作業(yè)，極大降低了掘進(jìn)工效,。
2 刀具失效及原因分析
2.1盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)配置
風(fēng)化程度不均孤石群地層：總推力12000～15000kN,；扭矩2000～2500kN·M，掘進(jìn)速度8～10mm/min,，貫入度2～3mm/r,，轉(zhuǎn)速1.0～1.6r/min；全斷面硬巖,、局部裂隙地層：總推力12000～13000 kN,；扭矩1400～1 600kN·M，掘進(jìn)速度2～3mm/min,，貫入度5～6mm/r,，轉(zhuǎn)速1.8～2.0r/min；孤石群,、空洞地層：總推力7000～10000 KN,；扭矩≤1500kN·M，掘進(jìn)速度5～10 mm/min,，貫入度8～10mm/r,，轉(zhuǎn)速0.5～0.7r/min。
2.2滾刀失效分析
該區(qū)間具有不良地質(zhì)作用,，特殊性巖土(風(fēng)化巖),，地層變化頻繁、無(wú)規(guī)律的特點(diǎn),，硬巖巖石強(qiáng)度平均達(dá)到143 MPa,，個(gè)別點(diǎn)最高達(dá)到264 MPa。因此,，該區(qū)間掘進(jìn)過(guò)程中刀具損壞嚴(yán)重,，開(kāi)倉(cāng)換刀頻繁，左線開(kāi)累掘進(jìn)707環(huán),，右線開(kāi)累掘進(jìn)649環(huán),，期間共計(jì)開(kāi)倉(cāng)換刀261次，共計(jì)更換刀具1528把,。刀具異常損壞形式主要有：刀圈偏磨,、刀圈卷刃,、刀圈斷裂、刀圈崩刃,、刀圈脫落,、刀軸斷裂等，如圖1所示,。
圖1 刀圈失效形式
掘進(jìn)過(guò)程中刀圈的一條弦或幾條弦出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間磨損時(shí)就會(huì)造成刀圈的偏磨,，如圖1（a)所示。刀圈在掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)偏磨的原因主要是刀具軸承損壞不能靈活轉(zhuǎn)動(dòng)而造成的,。根據(jù)對(duì)該區(qū)間段更換刀具的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看(見(jiàn)表1),，出現(xiàn)刀具偏磨的共409把，占26.8%,，其中軸承損壞的共376把,。造成軸承損壞的原因主要有以下幾點(diǎn)：(1)軸承過(guò)載或刀盤冷卻系統(tǒng)不良導(dǎo)致在掘進(jìn)過(guò)程中軸承過(guò)熱抱死；(2)刀具密封損壞漏油,，造成軸承潤(rùn)滑不良[10-14],；(3)裝配存在質(zhì)量缺陷。其次,，滾刀啟動(dòng)扭矩過(guò)大也容易造成滾刀時(shí)轉(zhuǎn)時(shí)不轉(zhuǎn),，使刀圈發(fā)生偏磨。刀圈偏磨而未及時(shí)發(fā)現(xiàn)是非常危險(xiǎn)的,，一把刀由于偏磨而失效會(huì)造成相鄰兩把刀過(guò)載而失效,，從而迅速向外擴(kuò)展，直 至整個(gè)刀盤全部損壞,。
表1 更換刀具統(tǒng)計(jì)結(jié)果
刀圈卷刃是指刀圈在掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)的刀圈邊緣卷邊現(xiàn)象,，如圖1(b)所示。刀圈出現(xiàn)卷刃的原因主要是在掘進(jìn)過(guò)程中巨大的推力使刀圈與巖石之間摩擦生熱,，相當(dāng)于擋圈回火導(dǎo)致其熱穩(wěn)定性下降,，硬度降低，出現(xiàn)高應(yīng)力下的壓潰變形,。其次擋圈在生產(chǎn)過(guò)程中熱處理不充分,，刀圈根部硬度大邊緣硬度低也是造成刀圈卷邊的原因。根據(jù)對(duì)該區(qū)間段更換刀具的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看(見(jiàn)表1),，出現(xiàn)刀圈局部崩裂共146把,占9.6%,；不均勻地層或地層突然變硬會(huì)導(dǎo)致刀具在掘進(jìn)過(guò)程中局部過(guò)載從而產(chǎn)生疲勞裂紋，疲勞裂紋快速擴(kuò)展造成刀圈徑向斷裂[15-17],如圖1(c)所示,。其次刀圈和刀體配合過(guò)盈量未達(dá)到要求也會(huì)造成刀圈的斷裂,。根據(jù)對(duì)該區(qū)間段更換刀具的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看(見(jiàn)表1),出現(xiàn)刀圈斷裂共251把,占16.4%。
由于該區(qū)間的地質(zhì)情況復(fù)雜,，巖石硬度大,，在巨大的沖擊載荷下,，刀刃處于高壓應(yīng)力狀態(tài)，刀刃與孤石在接觸不良處承受較高的剪切力,，處于拉應(yīng)力狀態(tài)下,，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)刀圈合金的強(qiáng)度極限時(shí)，即產(chǎn)生裂紋從而引起刀刃崩裂[18],如圖1(d)所示,。根據(jù)對(duì)該區(qū)間段更換刀具的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看(見(jiàn)表1),，出現(xiàn)刀圈局部崩裂共364把,占23.8%。
刀圈在滾切巖石過(guò)程中,，由于刀圈受力較大，刀圈表面掉落整塊的碎片,，而整個(gè)刀圈沒(méi)有斷裂稱為刀圈脫落,。如圖1(e)(f)所示。刀圈的脫落是由于在掘進(jìn)施工過(guò)程中破碎巖石的力量較大,，特別是在破碎孤石群時(shí),，震動(dòng)較大引起刀具連接螺栓松脫、斷裂或是擋圈沿軸線方向平行位移,，一旦擋圈斷裂或脫落就會(huì)造成刀圈的整體脫落[10],。根據(jù)對(duì)該區(qū)間段更換刀具的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看(見(jiàn)表1)，出現(xiàn)刀圈局部崩裂共90把,占5.9%,。
滾刀的失效形式具有多樣化綜合性的特點(diǎn),，一把滾刀可能存在多種損壞形式疊加的情況，刀圈的失效原因也呈現(xiàn)出多樣性和綜合性的特點(diǎn),，復(fù)雜的地質(zhì)條件和掘進(jìn)參數(shù)的合理性,、滾刀刀圈、輪轂,、軸和軸承密封等部件的質(zhì)量,、刀盤的強(qiáng)度、剛度和開(kāi)口率等都與滾刀的失效密切相關(guān),。
3 刀圈性能測(cè)試和分析
3.1 刀圈取樣
對(duì)以上6把具有典型失效形式的滾刀分別制備硬度,、成分試樣進(jìn)行進(jìn)一步分析，取樣參照?qǐng)D2所示,。首先,，將刀圈兩頭各銑去30 mm左右，去除熱影響區(qū),；第二步,，切刀圈10 mm厚，如圖2A處所示作為硬度試樣,，保證試樣上下平面平行且Ra不低于12.5,。第三步,，從圖2B區(qū)域取成分試樣。
圖2 取樣示意圖
3.2 刀圈化學(xué)成分和硬度分析
通過(guò)對(duì)刀圈工況條件和刀圈失效形式及原因的分析,，可以判斷：刀圈材料應(yīng)具備高屈服強(qiáng)度,，從而避免在高工作應(yīng)力下出現(xiàn)刀圈崩刃；同時(shí),，刀圈材料也應(yīng)該具備高硬度和耐磨性,，以此防止刀圈出現(xiàn)過(guò)度磨損；此外,，刀圈材料還應(yīng)具備出色的沖擊韌性,，有效地防止刀圈斷裂。
對(duì)6個(gè)刀圈進(jìn)行光譜分析,，結(jié)果如表2所示,，可以得出：6個(gè)刀圈所用材料全部為中、高碳鋼,，高碳含量能保證刀圈具有較好的強(qiáng)度和硬度,；此外，6個(gè)刀圈材質(zhì)中均含有較高的Mn Cr,、Mo,、Ni、Si,、v等合金元素,，其中Mn元素主要提高刀圈材料的淬透性和強(qiáng)度；較高的Cr含量可以提高刀圈的強(qiáng)度和硬度,，提高其高溫機(jī)械性能,；Si元素的加入能夠提高刀圈材料的彈性極限和屈服極限，保證刀圈具有良好的韌性,；Mo元素能夠提高刀圈的耐磨性和強(qiáng)度,；V元素則可以細(xì)化刀圈的內(nèi)部組織和晶粒。6個(gè)刀圈硬度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示,，所有試樣硬度均大于500 HBW,，其中6號(hào)刀圈硬度超過(guò)651 HBW。
表2 刀圈試樣化學(xué)成分表
3.3 滾刀的材質(zhì)要求
根據(jù)該地段盾構(gòu)機(jī)施工過(guò)程中滾刀出現(xiàn)的失效形式分析和對(duì)失效滾刀力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果可以看出,，滾刀刀圈應(yīng)該具備優(yōu)異的性能要求,，特別是刀圈的硬度、屈服強(qiáng)度和沖擊韌性,，這就要求刀圈制造過(guò)程中材料的選擇應(yīng)具備以下條件：(1)高硬度,，增強(qiáng)刀圈的耐磨性，減少刀圈在惡劣地質(zhì)條件下的磨損,；(2)良好的沖擊韌性,，避免裂紋的產(chǎn)生和迅速擴(kuò)展,，防止刀圈斷裂；(3)高屈服強(qiáng)度,，提高刀圈的抗應(yīng)力應(yīng)變能力,，減少由于應(yīng)力過(guò)高導(dǎo)致的變形和崩裂；(4)良好的熱穩(wěn)定性,，特別是抗回火性能,，使刀圈在熱裝和長(zhǎng)時(shí)間摩擦生熱過(guò)程中具備穩(wěn)定的性能[19]材料的加工性能也是非常關(guān)鍵的，有利于提高產(chǎn)品合格率和成本控制,。
4 結(jié)語(yǔ)
滾刀作為盾構(gòu)機(jī)施工中重要的零部件,，滾刀失效對(duì)施工效率和安全性具有很大的負(fù)面影響，頻繁的刀具更換降低了施工效率,，提高了建設(shè)成本,。從該地段施工過(guò)程中刀具更換情況來(lái)看，滾刀的失效形式主要包括刀圈偏磨,、刀圈卷刃、刀圈斷裂,、刀圈崩刃,、刀圈脫落、刀軸斷裂等,，其中因?yàn)榈毒咂ザ鴵Q刀最為嚴(yán)重,，主要是因?yàn)榫蜻M(jìn)過(guò)程中滾刀軸承損壞導(dǎo)致；刀圈崩刃和刀圈斷裂也是滾刀失效的重要因素,，這與該地段 地質(zhì)條件復(fù)雜,、巖石硬度大有著密不可分的關(guān)系。從分析結(jié)果來(lái)看,，同一個(gè)失效的刀圈往往存在多種失效形式,，也是受到多種綜合因素而導(dǎo)致的失效。
從刀圈的材質(zhì)分析來(lái)看,，取樣的6個(gè)刀圈所用材料全部為中,、高碳鋼，高碳含量能保證刀圈具有較好的強(qiáng)度和硬度,，同時(shí)刀圈中添加了含量較高的Mn,、Cr、Mo,、Ni,、Si、V等合金元素保證了刀圈具有出色的硬度,、強(qiáng)度,、抗沖擊韌性和熱穩(wěn)定性,。
本文摘編自《隧道現(xiàn)地下工程災(zāi)害防治》2020年6月，第2卷第2期,，參考文獻(xiàn)略,。
（版權(quán)歸原作者或機(jī)構(gòu)所有）
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