盾构机的刀盘的设计资料.doc

盾构机的刀盘和刀具The Cutter Head and Tools of the Shield Machine豳中铁七局集团第三工程有限公司何小娥HE Xiaoe刀盘是盾构的主要工作部件，不同地质地层应采用不同的刀盘结构形式及刀具布置，刀盘及刀具的好坏关系到盾构施工的成败，影响盾构掘进的速度和效益，甚至关系到盾构施工的成败1 刀盘刀盘是一个带有多个进料槽的切削盘体，位于盾构机的最前部，用于切削土体。“刀盘”的工作原理可简单比作是一把剃须刀，在前进过程中逐渐将泥土砂石变成碎块，再排放到“刀盘”后的“储藏室”内，即，土仓。11刀盘的特点的切削效果和掘进速度，甚至关系到盾构施工的成败。个性化：盾构在施工过程中会遇到各种不同地层，从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等。刀盘刀具不可能是千篇一律的，必须根据工程地质情况进行个性化设计。多样化：随着城市建设的加快，土地资源越来越珍贵，为了节省空间，越来越多的异形盾构出现，刀盘也随之变得各式各样。12刀盘的功能开挖功能：对掌子面的地层进行开挖，开挖后的渣土顺利通过渣槽，进入土舱，稳定功能：支撑掌子面，具有稳定掌子面的功能；重要性：刀盘的选择是否合适直接影响盾构掘进机搅拌功能：对土舱内的渣土进行搅拌，使渣土具有一力值趋于减小。在低速情况下沥青混凝土路面呈粘弹性状态，刀具前角对切屑的挤压以及后角对已加工路面的摩擦使得刀尖附近的应力值增大；随着切削速度的增大，沥青混凝土在切削过程中脆性越来越明显，产生的切屑对前刀面的挤压程度降低，从而使得刀尖附近的应力值趋于减小；当速度达到一定程度的时候，这个值趋于平稳。另外还可以看出在切削过程中刀尖前端的沥青混凝土路面主要受到刀尖对其的挤压，从而oo。和o，呈现为负值；o。、a，和o，由低速慢慢随着速度的增大而不断增大，这是因为沥青混凝土的粘塑性随着切削速度变化而引起的。表3为切削深度为60 mm的不同切削速度下的刀具切削力计算结果。可以看出，切削速度由100 mms逐渐增大到1 000 mms的过程中，刀具受力增加比较缓慢，所以刀具所受到的冲击不是很大，刀具的磨损也不会很严重。切削速度从l 000 mms增大到6 000mms过程中，刀具受力急剧增加，所以刀具的磨损将表3切深为60 mm时不同切削速度下的刀具切削力切削速度(mms) 100 300 500 1000 2000 3000 6000最大切削力N 167331 2004 06 2846 79 396715 104942 284974 71443 3平均切削力N 1088 70 1289 93 1498 62 242164 696683 1217277 47007861 00 CMTM 201005会迅速加剧。因此高速、大切深铣刨路面对铣刨机的刚性和功率提出了较高的要求。综上所述，对于较小切削深度的路面铣刨机，切削速度最好维持在2 000 mms以下，对于较大的切削深度，可以选择较大切削功率的路面铣刨机以较大的切削速度来完成切削作用，提高切削效率。参考文献1】陈志刚，周里群，黄霞春基于ANSYS的金属切削过程有限元仿真凿岩机械气动工具，2007，(1)，46542】2蔡玉俊，段舂争，李圆圆，王敏杰基于Abaqus的高速切削切屑形成过程的有限元模拟机械强度，2009，31(4)：6936963】MMovahhedy,MSGadala，YAltintas，Simulation of theorthogonal metal cutting process using an arbitraryLagrangian-Eularian finite element method，Journal ofMaterials Processing Technology,2000，103，267-2754】GRJohnson，WHCook，A constitutive model and data formetals subjected to large strains，high strains rates and hightemperatures，Proceedings of the 7th InternationalSymposium on Ballistics，The Hague，1983，541-547收稿日期：201001-28通讯地址：湖南省湘潭市(411105) 羲搿镂耪万方数据缫塑一叠7丝鳖w鲢丝r遒麴鞫4鲢鳖鲨o缱缵鎏r鎏鳖”塑幽甾幽女一丝定的塑性，能通过螺旋输送机来调整控制土舱内的压力。13刀盘的主要构成(1)主驱动连接法兰(连接主驱动)；图1(2)刀盘支撑(传递扭矩及轴向力)，有两种支撑方式(表1)：裹1中心支撑方式中间支撵方式(1)4m以下的外径使用的业绩多。(2)此类型当刀盘偏载荷作业难以确保刀盘面板的强度。(3)刀盘密封直径小，密封耐久，可靠性高。(4)土仓的土砂流动良好。(5)进仓作业空间小。广著(1)6m以上外径使用的业绩多。(2)容易满足面板所需载荷强度。适用于高载荷、偏载荷作业。(3)刀盘密封难度较大。(4)土仓的土砂流动较好。(5)迸仓作业空间充分。(3)外圈梁(加强结构强度)(4)刀梁(安装刀具)；(5)搅拌棒(渣土改良)；(6)渣土该良注入I：I(渣土改良)；(7)N转接头(向刀盘的面板上输入泡沫或膨润土及向超挖刀液压油缸输送液压油)；(8)耐磨层：除了安装刀具，还需要焊接耐磨层对刀盘本体进行保护，耐磨层一般有三种形式：a用耐磨焊条堆焊耐磨网格或耐磨层，b焊接hardox500钢板；c焊接耐磨复合钢板。14刀盘的分类(1)按结构形式分为：面板式和辐条式2种基本型式辐条式刀盘与面板式刀盘的比较表(表2)(2)按功能分：软土刀盘和复合式刀盘表_2比较刀盘形式项目面板式幅条式刀盘一、-乎飘一xV1 土仓卜； ，结构亩，一一般存在3个压力：P1为开挖只有一个压力P，密封舱内面面板之间；P2为面板开口土压计压力与开挖面的压进出口之间I P3为面板与密封力相等，PI=P3，因而平衡土压舱内壁之间(即土压计压力)。压力易于控制。2 其中：P2有扭转产生的抵抗压管理力，受面板开口影响不易确定，而P3=P1-P2开挖面压力不易控制，同时控制压力实际低于开挖面压力。开口部的渣土容易产生附着和渣土流进性好，进渣通畅，3 泥饼凝结，进而形成泥饼。不易形成泥饼。负载刀盘扭矩阻力大，需增加设备刀盘扭矩阻力小，设备造4 及磨能力，造价高，刀具磨损较快。价低，刀具磨损较小。损对各种类型的地层均能适应， 结构简单，强度稍弱，开口结构刀盘即使被磨损仍能保持整体率大，仅能适应特定的地5 强度不发生变形、在半仓掘进时层、辐条式刀盘要求严格特点面板对开挖面有一定机械支撵实施满仓掘进。作用。隧道施工总是在一定的施工环境(基础地质、工程地质、水文地质等)中进行，按其变化程度可分为均一地层和复合地层。均一地层可分为两种：单纯的软土地层和单纯的硬岩地层。a软土刀盘在软弱土地层一般只需配置切削型刀具，如切刀、边刮刀、中心刀等即软土刀盘，图2所示。图2b复合式刀盘复合地层的组合方式非常复杂多样，但总的来说可分为三大类：一类是在掘进断面上不同地层的组合；一201005建设机械技术与蕾理1 01万方数据类是在掘进轴线方向上不同地层的组合；另一类是上述两者兼而有之。在广州、南京、深圳的地铁修建中都遇到了大量的复合地层。为了应对不同的地层条件，发明了复合盾构技术。复合盾构技术是根据掘进面不同的地层条件，盾构机采用不同的掘进模式，例如土压平衡模式、气压平衡模式及非土压平衡模式等。在复合式地层，也要求刀盘采用混合式设计，即在同一个刀盘上同时布置2种或2种以上的类型的刀具，刀和滚刀并存，图3所示。围315刀盘的几个概念(1)开VI率：开口面积站整个面积的百分比，一般化065(2)刀间距：指在直径方向上，相邻两条轨迹上的刀具之间的距离，一般在设计中要综合考虑刀间距。距离过大影响切削效果过小又会造成浪费；(3)刀高：指刀具深处面板的高度；(4)刀具高差：指不同刀具之间的高度差。2刀具刀具布置和刀具形状在盾构机设计中是非常重要的内容。刀具布置方式及刀具形状是否适合应用工程的地质条件，直接影响盾构机的切削效果、出土状况和掘进速度。目前使用的刀具一般有两类：一是切削类刀具，二是滚动类刀具。21切削类刀具(1)刮削刀具是指只随刀盘转动而没有自转的破岩刀具，刮削刀具的种类繁多，目前盾构掘进机上常用的切削刃具类有边刮刀、切刀、齿刀、先行刀、仿形刀等。(2)先行刀是先行切削土体的刀具，超前切刀布置，1 02 CMTM 201005因此也称为超前刀。先行刀在设计中主要考虑与切刀组合协同工作。先行刀在切刀切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为切刀创造良好的切削条件。先行刀的切削宽度比切刀窄，一般设计为切刀的一半，切削效率较高。采用先行刀可显著增加切削土体的流动性，大大降低切刀的扭矩，提高切刀的切削效率，减少切刀的磨耗。在松散体地层，尤其是砂卵石地层和钙质结核地层，先行刀的使用效果十分明显。(3)鱼尾刀在软土地层掘进时，因刀盘中心部位不能布置切刀，为改善中心部位土体的切削和搅拌效果，可在中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀。鱼尾刀的设计和布置技术如下：其一让盾构分两步切削土体，利用鱼尾刀先切削中心部位小圆断面土体，而后扩大到全断面切削土体，即将鱼尾刀设计与其他切刀不在一个平面上，即鱼尾刀超前切刀布置，保证鱼尾刀最先切削土体；其二是将鱼尾刀根部设计成锥形，使刀盘旋转时随鱼尾刀切削下来的土体，在切向、径向运动的基础上，又增加一项翻转运动，这样既可解决中心部分土体的切削问题和改善切削土体的流动性，又大大提高盾构整体掘进效果。(4)仿形刀仿形刀是为曲线掘进、转弯、纠偏设计的，仿形刀安装在刀盘的边缘，通过一个液压油缸来控制仿形刀的伸出量，从而控制超挖范围。图4所示：(a)球齿滚刀(”楔齿滚刀圈4钢刀圈滚刀和球齿刀圈滚刀22滚动刀具(滚刀)滚动刀具是指不仅随刀盘转动，还同时作自转运动的破岩刀。根据刀刃的形状滚刀可分为：齿形滚刀(钢齿和球齿)、盘形滚刀。根据安装位置滚刀可分为：正滚刀、中心滚刀、边滚刀、扩孔滚刀(图5)。万方数据戳虢I暖#咿j；黻r一：一鸶遴”翁嚣j!#!一I”el#誊搿缕嗍F二戳蕊F嘲璺自嫦iil2I&2秽。!誊J幽粼圈5目前盾构掘进机滚刀主要是盘形滚刀，盘形滚刀又有单刃、双刃和多刃。3刀具工作原理31 刮削类刀具的工作原理在刀盘推力的作用下，刮刀嵌如岩渣或岩层中，刀盘带动刀具转动时刮削岩层，在掌子面形成一环环犁沟，特点是效率高，刀盘转动阻力大。在软土地层或滚刀破碎后的渣土通过刮刀进行开挖，渣土随刮刀正面进入渣槽，因此刮刀既具有切削的功能也具有装载的功能32盘形滚刀工作原理刀盘在纵向油缸施加的推力作用下，使其上的盘形滚刀压人岩石；刀盘在旋转装置的驱动下带动滚刀绕刀盘中心轴公转，同时各滚刀还绕各自的刀轴自转，使滚刀在岩面上连续滚压。刀盘施加给刀圈推力和滚动力(转矩)，推力使刀圈压人岩体，滚动力使刀圈滚压岩体。通过滚刀对岩体的挤压和剪切使岩体发生破碎，在岩面上切出一系列的同心圆。4各种刀具的破岩机理(表2)刀具类型刮刀楔齿滚刀球齿滚刀盘形滚刀刮削主要剪切 破岩龟裂机理挤压 研磨运动形式滑动滚动+微滑滚动+滑动滚动+滑动刀齿形状刨刀状楔状球面状楔状5几种刀具的推荐使用范围(表3)抗压强度分类典型岩石刀具型式MPa软土，软岩180粘土岩玄武岩燧石砾岩滚刃刀具的形状必须适应施工地质的特点，并且刀具在切削断面不同的位置其作用及要求均不同，因此设计刀具应考虑以下因素：(1)刀具在砂、砂卵石地层中的切削效率，即如何减少切削阻力，保证切削土体的流动性。(2)通过刀具形状的改变，减少刀具掘进磨损，提高刀具的耐久陛。(3)适应城市繁华地区施工的需要，尽可能减少刀盘旋转刀具切削土体过程对周边土体及环境的干扰，如振动、噪音等。(4)如何从材料和设计方面，对解决盾构机在砂卵石地层