外文翻译--滚刀研发现状指导 中文版

滚刀研发现状指导 2012-5-10 9:04:20 作者 lok 翻译 sunheng 消息 来源： 浏览： 4525 次 盘形滚刀是硬岩和复合地层 TBM 的工作端。 50 多年前滚刀首次成功的运用于 TBM 上，盘形滚刀技术在不断进步，以致到现在 TBM 可以高效的削切既硬有高磨损的岩石。盘形滚刀也成功的运用在土压平衡（ EPB）和泥水盾构上，在土压和水中削切岩石。时至今日 ，隧道掘进机开挖地质范围越来越广，掘进速率更高，且刀具费用大大降低，这些改变都证明在刀具研发上的投入很有价值。 本文描述了近期滚刀部件的提高，其中包括刀圈材料和加工工艺，以及润滑油，轴承，密封和刀具状态无线监测等。这些研发成果使刀具性能可靠地适用于更广泛的地质条件中。这些改进结果最终使承包商和项目业主受益。 介绍 滚刀刀盘常用于各类的隧道施工设备，从小于 1 米的微型泥水顶管 TBMs 到直径 15 米的硬岩 TBMs 都可能会运用到滚刀。滚刀的运用地质范围从含有几 bar 的水压的砂卵石地质到单轴抗压强度达到 420MPa 的岩 体。 无论机器类型或地质条件如何，有一件事是不会改变的，那就是更换磨损刀具的费用极其昂贵。在施工中必须更换刀具时，承包商就要蒙受停机带来的损失，还有返修和更换刀具的费用。如果出现刀具严重损坏的情况，整个项目在很长一段时间内停滞，就在这停滞期间建设费用还在继续增加。刀具的严重毁坏情况包括，如一组滚刀集体损坏（称之为覆没现象），同时操作者未能停止 TBM，进而导致刀盘严重损坏。导致这种情形出现的原因可能是由于某个没有被发现的刀具损坏引起了其它刀具算坏，或者是由于 TBM 驾驶人员的错误操作。不管归结于何种原因，所导致 的损坏，需要花上数天甚至是数周去维修。在某些特殊地质条件下EPB 盾构或者泥水盾构发生刀具损坏，渣土不能从仓内排出，无法进仓换刀。这种情形下往往要打一个干涉井，用来进人换刀，使用这种方法花费会很高。如果能够在所有地质条件下准确预测刀具的寿命，毫不夸张的说，这将是一个重大的进步。 基于这些原因已经研发出适应特定机型和大小以及特定地质条件的刀具。显然，不同大小的刀具所适用的机型大小也不同。例如， 19 和 20 寸（ 483 和 508mm）的刀具往往用于大直径 TBMs，这类尺寸的刀具不可能应用在微型 TBM 上。而且刀具的设计必 须要符合特定地质条件。开挖高度硬岩的滚刀刀圈须是最昂贵的刀圈，对于较弱的岩层只需要便宜的刀圈就可以很好地使用。因此选择适合机型和地质，能平衡花费和风险的刀具是非常重要的。 大直径硬岩滚刀的发展 早期硬岩隧道掘进机 TBMs 主要用于较弱和中等强度沉积层结构。第一次成功使用的滚刀刀盘是 1952 年达科地南部的 Oahe 水坝项目中罗宾斯主梁 TBM910-101，破碎带混杂的页岩强度仅为 1-3 MPa。刀具很小看起来有点像现在硬岩滚刀刀具。 岩石可由低荷载刀具来削切，刀具轴承不需要很大且刀具也较小，这样才能使刀具很容易地 操作和更换。然而，当 TBMs 处于硬岩环境中，小型刀具遭受难以接受的磨损速度，并伴有大量刀具轴承损坏。因此在随后的时间中，刀具尺寸和轴承的承受能力也随之增强（见表一）。 19 寸刀具的发展和应用 19 寸刀具的成功研发和应用是 TBM 部件设计进程上的重大进步。作为其中一个部件的改善，其它相关部件就会变成薄弱环节，因此需要进步一研发。然而不仅仅是刀具组件需要连续不断的改善，刀盘设计，刀具管理和刀具润滑等在过去的几年中都得到了提高。 19 寸刀具研发期间，罗宾斯工程师从施工现场刀具维护车间收集了大量数据，对 17 英寸刀具进 行检查和计算。 1989 年罗宾斯首次引入 19 寸刀具，很多设计都是新颖的，和现有的 17 英寸相比有很大的改进： 19 寸刀具的刀圈磨削体积增加了 38%（见图 1） l 刀具荷载率跟刀具轴承承载能力的比值减小，罗宾斯 19 寸刀具全荷载仅是轴承额定能力的 84%（如 32 t/38 t），然而 17 寸刀具全荷载占轴承额定荷载量的 93%（如 27 t/29 t）（见图 2）。 在稳定性方面新的锲形安装系统相对于之前 V 形块安装系统有了很大的改进。 表 1 刀具直径，额定载荷和运用年份 直径（英寸） 荷载（ kN） 引进时间 11 85 1961 12 125 1969 13 145 1980 14 165 1976 15.5 200 1973 16.25 200 1987 17 215 1983 19 312 1989 20 312 2006 图 1 17 寸刀具和 19 寸刀具刀圈磨损体积对比 19 寸刀具密封更有优势 通过材质改进和加工工艺改进，轮毂耐磨性性提高，寿命大大增加。 早期 19 寸刀具的刀圈寿命并没有预期的那么长，刀具损坏大多不是因为磨损，而是因为刀圈碎裂。显而易见的是现在的刀圈材料还不能禁受随刀圈直径增加的接触应力。刀圈端部宽度的增加可能会减少接触应力，但却会导致贯入度的减小。 早期 19 英寸刀具的另一个问题是单刀损坏引起组群刀具损坏。最终确定是由于刀具间距引起并在随后几年进行了改进。经过数年的提高，现在 19 寸滚刀刀圈的寿命变的非常好，刀具不完善的环节反而是刀具轴承，而早期刀具轴承却是那时最完善的环节。 当刀具磨损从 TBM 上换下来后，经过一到两步处理就可以从新安装到 TBM 上： 1 更换刀圈：重新安装新的刀圈并更换润滑 2 修造：全部拆开并更换刀圈，轴承，密封，其它小零件或者润滑油。 显然，修造费用很明显远大于更换刀圈的费用。在项目中，更换刀圈与修造比率的常规管控对于维持最低费用是很有必要的。比率越高说明刀体组件质量越高，整个项目中的刀具费用就较低。这个解决方案有两方面：改善润滑油和做精确的刀具记录。现在润滑油价格不菲，但是他们的回报率很可观。精确地记录有利于刀具经理清楚每个刀具使用时间，这些刀具管理的信息有利于预知刀具组件的寿命期限并提前更换维修受损刀具。 表 2 19 寸滚刀刀圈寿命的提高 项目位置 斯瓦蒂森山挪威 1990 佐治亚州亚特兰大 2005 岩石类型 云母片 岩 花岗岩 白垩 较好颗粒中级变质岩 单轴抗压强度范围 49-196MPa 平均 255MPa 最大 530MPa 刀具寿命（ m3/刀圈） 146m3 187m3 19 寸滚刀引入运用以来，已经被证明是开挖硬岩和复合岩层的显而易见的选择。配置有19 寸滚刀的 TBM 削切过世界上最硬的岩石和拥有出色的掘进记录。图表 2 显示 1990 年与2005 年 19 寸滚刀寿命的比较。 20 寸滚刀的发展 有 2 种方法可以提高刀具的寿命 1. 增加刀圈的强度和耐磨性 2. 增加刀圈的有效摩擦体积 人们逐渐认识到增加 刀圈的有效摩擦体积是提高 19 寸滚刀刀圈寿命的最有效方式。 图 2. 19 寸滚刀与 20 寸滚刀刀圈的摩擦体积比较 19 寸滚刀的轮毂、轴承和刀轴被设计成同样适合 20 寸的滚刀刀圈。把刀箱和刀盘也设计成兼容 19 寸和 20 寸滚刀刀圈型。以下三台 TBM 就是 19 寸滚刀和 20 寸滚刀兼容的例子： 1 台 尼亚加拉 加拿大水 电站扩建工程 直径 14.5m 硬岩开敞式高性能 TBM（ HP-TBM） 2 台 印度 AMR 输水工程 直径 10.0m，双护盾式高性能 TBM（ HP-TBM） 从图 3 可以看出 20 寸刀圈比 19 寸刀圈的摩擦体积增加了 58%。 图 4. 左边滚刀由于不转动产生了偏磨，右边刀具轴承重度损坏并导致密封圈和刀轴损坏 报告 显示，尼亚加拉隧道项目 20 寸滚刀在沉积岩运用效果出色，具有较好的贯入度和较长的寿命。 刀具轴承寿命 目前并不能通过建模来精确预测刀具轴承的寿命，一方面是因为行业尚不能精确给出轴承的动态荷载，另一方面是因为实际地质条件和勘测有出入甚至施工中会出现不受控状态。 表 3. 计算的刀具轴承寿命和实际寿命比较 17 寸滚刀 19 寸滚刀 计算的刀具轴承寿命（小时） 43 2165 实际现场数据 Manapouri, 新西兰 Cobb 亚特兰大 TBM 工作时间（小时） 7950 3117 实际使用的轴承套数 1612 191 平均每套轴承寿命 5 16 实际寿命与标准寿命之比 11.47% 0.75% 刀圈的发展 目标 : 提高掘进速度 , 减少停机时间 刀圈已被多次证明是进一步提高刀具性能的限制性部件。当前刀具研发前进的方向是增加刀具效能同时降低刀具造价。 在以下 2 方面，刀圈效能得到了提高： 1. 每转的贯入度有可能提高，因为重型刀圈比常规刀圈更锋利。还有重型刀圈强度更高， 2. 长的刀具寿命意味着换刀频次低，换刀时间少和掘进时间长。 硬度 1995 年一台主梁式 TBM 运用于南非的 Midmar 项目，该项目地质为粗粒玄武岩和砂岩，硬度为 350MPa，该级别硬度给刀圈带来了挑战并导致新一轮刀圈材料和加工工艺的研发，随之出现了最先进的重型（ HD）刀圈，时至今日，重型刀圈在硬岩项目上远比其他刀圈更广泛使用。这种新材料之所以能提高刀具的寿命，因为它具有高的 “热强度 ”，这种材料与常规刀具材料相比在掘进硬岩时能够减小磨损率。 韧度 仅凭直觉来认为制造高性能刀具滚刀的关键是使其具有极其高的硬度。这种观点在一定程度上是正确的，但是硬度并不是制造高性能刀具唯一的因素。当滚刀碾压岩石时，高硬度的刀圈能够防止或 延缓刀具变形，但是如果刀圈太脆，再硬也是无用的。因此，硬度和韧度是刀具设计者最需考虑的方面。 技术发展：刀具状的态远程监测 目前滚刀设计和运用的一个关键是找到刀具费用和整体掘进性能的交点（既节省刀具费用同时有保障掘进效率）。 由于刀具原因造成的 TBM 停机主要有以下 3 方面： 1. 进行刀具检查。硬岩 TBM 需要停机来让工作人员进行常规刀具检查，来确保损坏的刀具或严重磨损的刀具。 2. 进行刀具更换。属于常规维护，通过常规检查对损坏的刀具和磨损严重的刀具进行更换。 3. 刀盘维 修。在极端地质条件下（断层带或块状岩体具有高磨损性）或一系列刀具损坏条件下，任何一种情形都会导致刀盘损坏。刀盘修复工作可能包括刀箱维修，刀盘磨损面板维修，渣斗维修和输送部件维修。 显而易见地，如果一个系统能持续不断地监测刀盘上每个刀具的状态，那么将会带来极大的帮助。如果人全时段监测所有刀具，那么就没有必要来停机进行常规人工刀具检查，这样就可以减少 TBM 停机时间 1。更进一步来说，如果工作人员能实时观测到刀具的状态，当刀具损坏了，或开始损坏时，工作人员就会立刻知道，