盾構機滾刀的淺議

支 龍 楊 景

（陜西國防工業職業技術學院，西安 710300）

進入21世紀，在水利、電力、鐵路、煤炭、礦山、交通、城市地下及軍工等隧道建設工程中，盾構機以其優質、高效、自動化程度高以及地質適應性強等諸多優點得到了廣泛應用 。由于山體巖石的高硬度、高強度與地質條件的復雜性，以及強擠壓、大扭矩、強沖擊、高磨損的惡劣工況，盾構刀具成為掘進過程中最易損壞的零部件。因此，開發出集高強度、高硬度、高耐磨和優良韌性等優點于一身的刀具，是加快工程進度、降低盾構機施工成本的決定性因素[1]。盾構機的刀具種類很多，按其切削原理可分為切削刀和滾刀。切刀主要適用于粒徑小于400 mm的粘土地層、砂土地層及較軟巖層的開挖[2]，可分為雙孔切刀、三孔切刀和四孔切刀。在全斷面硬巖層及上軟下硬混合巖層掘進時，需使用滾刀[3]，可分為單刃、雙刃和多刃等樣式。本文主要對滾刀進行介紹。

1 滾刀的結構組成及磨損形式

1.1 滾刀的結構組成

從圖1可以看出，滾刀主要由刀軸、端蓋、金屬浮動密封、刀體、刀圈、隔圈、擋圈以及軸承等部分組成，其中隔圈的主要作用是調節啟動扭矩大小。滾刀的實物圖，如圖2所示。在刀圈和刀體之間放置一個擋圈（擋圈是由兩個半圓環通過焊接的方式組成的），對刀圈在刀軸上進行軸向定位。在掘進的過程中，擋圈易在焊口處斷裂脫落，故需要在焊口處搭接一塊加固鐵。刀圈、軸承和浮動密封是刀具的關鍵件，其中刀圈的消耗量最大。

圖1 滾刀的結構示意圖

圖2 滾刀實物圖

1.2 滾刀的磨損形式

滾刀在千斤頂巨大的推力作用下緊壓入巖石，同時隨著刀盤的旋轉進行公轉和自轉，經擠壓、起裂和破碎3個階段實現巖體的脫落。因此，滾刀的磨損量受法律規定、土質、滑動距離、滾刀形狀、滾刀材質、推進速度以及刀盤轉速等因素影響[4]。滾刀磨損形式大致可分為正常磨損和非正常磨損兩大類。其中，正常磨損占全部損壞刀具的90%以上[5]，非正常磨損包括刀圈偏磨、刀圈卷刃、刀圈崩裂、滾刀漏油以及刀體磨損等。正常磨損（圖3）因磨損時磨損程度基本一致，又稱均勻磨損。這種磨損可以通過更換新刀圈實現正常的使用。刀體磨損（圖4）是最嚴重的失效形式，一旦刀體磨損，意味著整把滾刀報廢。

圖3 正常磨損

圖4 刀體磨損

2 滾刀的拆解

滾刀的拆解包括破壞性拆解和非破壞性拆解。破壞拆解是用氣割機將圖1中各部位拆解開，用鋸床或線切割截取相應的試塊，借助光譜儀、拉伸試驗機、擺錘式沖擊試驗機、布洛維一體機以及倒置式金相顯鏡等設備，研究滾刀各部位的成分、性能（硬度、強度、韌性）、組織等。拆解后的各部位，如圖5所示。拆解過程中能聞到刺激性氣味。查相關資料獻可知，此刺激性氣味是拆解過程中油脂里的異味劑與空氣接觸氧化而產生的。添加異味劑的目的是能夠及時發現刀具漏油。

圖5 破環拆除后滾刀各部件

非破壞性拆解是為了獲取已有滾刀各部件的裝配形式，測繪出各部件的尺寸以及配件（密封環、油脂、軸承等）的型號。拆解過程可分為清理表面、磨去擋圈上的焊點、旋開刀蓋、吸出油脂以及壓出刀軸等。用酒精清洗各部件上的灰塵及銹跡，借助便攜式三維掃描儀測繪出其尺寸，拆解后的各部位如圖6所示。拆解過程中可知，軸承位型號為NTN 4T-HH224346。收集油脂分析后可知，它為殼牌的齒輪油。

圖6 非破環拆除后滾刀各部件

3 刀圈的研制

刀圈破巖時不僅承受很大的徑向破巖力，同時又受到巖石硬礦物相的劇烈磨損。根據刀圈的失效形式分析，若要提高刀圈的使用壽命，則刀圈材料需要具有高硬度、高強度及良好的沖擊韌性，這樣刀圈在掘進時既耐磨，又能在遭受巨大沖擊時避免發生崩裂或塑性變形[6]。為了提高刀圈的使用壽命，一方面可以從改善滾刀的材質、性能著手，另一方面可以優化滾刀的結構。

目前，滾刀刀圈的用鋼大體可以分為兩種：一種是與調質鋼40CrNiMo（AISI4340）成分相似的中碳低合金高強度鋼；另一種是與中碳低合金高強度鋼4Cr5MoSiV成分接近的中碳中合金鋼。通過控制合金元素的種類和含量提高性能，可為后期理想的熱處理創造優越條件。例如：Ni作為非碳化物形成元素加入鋼中，能夠有效提高鋼基體韌度；V含量增加了鋼的淬透性，提高了鋼的回火穩定性。結構方面，優化滾刀的結構實際上是通過在滾刀的表面鍍層和鑲嵌硬質合金塊等方式來提高刀圈的使用壽命。例如，圖7在滾刀刀圈基體上鍍粒度為10/20～30/40目，鍍層厚度為1.0～1.6 mm的金剛石[7]；圖8在刀圈的外圓周上開環形凹槽，并凹槽內釬焊環形的硬質合金[8]，目的是提高刀圈的服役周期。

圖7 滾刀刀圈改進

圖8 滾刀刀圈改進

4 結語

國際知名盾構機滾刀制造公司（如德國WIRTH、意大利PALMIERI、美國ROBBINS等）產品性能優良，在全世界范圍的滾刀市場占有一定份額。高速鐵路、越江險道、城市地鐵以及礦山開采等重大工程的建設，加快了盾構機的發展，提升了滾刀的需求量。若一味依靠進口，不僅產品價格昂貴，而且采購的周期長，一定程度上增加了施工成本，因此研制開發出綜合性能優良的滾刀顯得十分急迫。