盾构机刀具如何选型与制造

1、盾构机刀具的选型与制造盾构机刀具的选型与制造使用使用 阳九久技术开发有限公司阳九久技术开发有限公司 王汉章王汉章 一、盾构机刀具概述一、盾构机刀具概述 二、盾构机刀具的选型二、盾构机刀具的选型 三、盾构机刀具的结构特点与设计制造三、盾构机刀具的结构特点与设计制造 四、刀具的配置使用与发展趋势四、刀具的配置使用与发展趋势 一、盾构机刀具概述一、盾构机刀具概述 简述盾构机刀具的历史变革与发展简述盾构机刀具的历史变革与发展 刀具是一个很广泛的概念，在石器时代 人们就尝试着利用石刀、石斧为人类服务。 在现代人们的日常生活当中，人们更是广泛 的利用着各种各样的刀具，在机械加工业、 木工业、采矿业等工业领

2、域，刀具都得到了 很好的利用为经济社会发展服务。特别是近 代在隧道工程掘进施工领域，随着盾构机施 工技术的发展，更是为刀具的应用和发展带 来了独特的发展空间，不论在什么地层条件 下施工，掘进速度的快慢，施工成本的高低， 都直接与刀具的选择是否得当和其性能好坏 有着很大的关系和影响。因此，世界各国都 非常重视盾构机刀具的研究和应用，特别是 在盾构机施工中对各种岩层的开挖所需的刀 具，各国都做了大量的研究工作，美国、日 本、德国等一些工业发达国家从刀具的切削 机理、切削理论计算、破岩的方式、模拟 试验等方面都进行了长期的深入研究，并在 不断的应用中改进和完善，形成了适用于多 种地层的盾构机刀具系列

3、和品种规格。 我国对盾构机刀具的开发研究始于二十 世纪六十年代，经过几十年的努力和发展， 也取得了较大的进步和发展，特别是从上世 纪九十年代以来，我国的经济建设进入了一 个高速发展的时期，整体隧道工程盾构施工 技术水平和刀具制造水平都有了较大的提升。 随着国内的地下隧道工程建设大量增加，国 内的盾构机施工任务也大量增加，已成为 盾构机施工技术的应用大国，对盾构机设 备和刀具的需求量也不断增加，从而也促 使盾构机刀具的研究和发展取得了长足的 进步，目前已研制出多品种、多规格、多 功能且能满足于多种地层施工需要的盾构 机刀具，有的刀具已达到了国际同类刀具 的先进水平，国产刀具正逐步替代进口刀 具,

4、迎来一个盾构机刀具大发展的时代。 盾构机刀具的分类和切削机理盾构机刀具的分类和切削机理 2.1盾构机刀具的分类盾构机刀具的分类 我们知道盾构机刀具（以下简称刀具） 是盾构机施工中实施掘进的的关键部件， 所有的掘进施工最终都要靠刀具来完成。 刀具被安装在刀盘的最前面，掘进过程中 随刀盘一起转动来开挖掌子面。所有安装 在刀盘上的刀具目前分为两大类，一类是 在掘进过程中只随刀盘转动进行开挖掌子 面的刀具，如切刀、边刮刀、贝壳刀等， 这类刀具统称刮削类刀具，简称刮刀；如图示 贝壳刀贝壳刀 30 13 3 3 3 另一类是在掘进过程中刀具除随刀盘一起进 行转动外，其刀具自身还绕刀轴进行自转，如正 滚刀、

5、中心滚刀、边滚刀、锥形滚刀等，这类刀 具统称为滚切类刀具，简称滚刀：如图示 锥形滚刀锥形滚刀 2.2 盾构机刀具的切削机理盾构机刀具的切削机理 2.2.1刮削类刀具的切削机理刮削类刀具的切削机理 刮削刀具一般是通过 螺栓连接或焊接在刀盘上 的，在刀盘的连续旋转带 动和刀盘推力作用下， 刮 削刀具的刀刃部分不断的 嵌入（切割）掌子面，并 对掌子面（或滚刀破碎后 的渣土）通过刮刀前刀面 向上和向两侧连续进行挤 压撬动使掌子面剥落，剥 落的的渣土沿刮刀的前刀面向两侧滑落进 入清渣槽，这样使刮刀既具有切削的功能 也具有装载的功能。因此刮削刀具是一种 以切割力和挤压力来开挖掌子面的刀具， 适用于表土层及

6、软岩泥层（一般小于 30MPa）的掘进施工。 2.3 滚切类刀具的切削机理滚切类刀具的切削机理 2.3.1 盘形滚刀的切削机理盘形滚刀的切削机理 由于盘形滚刀本身的滚动，其磨损速 度比刮刀要慢的多。加之刀刃较窄，在刀 盘的相同推力下作用于岩石上的压强要大 的多，因而能破碎的岩石也比刮刀要硬得 多，多数的沉积岩只用盘形滚刀就能充分 破碎。现阶段盘形滚刀主要用在盾构机的 刀盘上，故长期以来，盘形滚刀几乎和盾 构机滚刀成为同义语。 小型的盘形滚刀（12）通常是把刀 刃和刀体做成一体，一般是多刃的，有的 刀刃上还镶嵌硬质合金；大规格的盘形滚 刀（一般为1419）刀体和刀刃通常 是分离的，可以拆装以便于

7、刀刃磨损后更 换。人们习惯上又常把刀刃称为刀圈，可 更换的刀圈可以是钢刀圈，也可以是在钢 刀圈上镶嵌硬质合金。这要根据地层选择， 镶嵌硬质合金的刀圈（也常称为球齿刀圈） 更适合特硬岩层的掘进施工。 盘形滚刀的切削原理是当刀盘在纵向 油缸的巨大推力作用下，使安装在刀盘上 的盘形滚刀压入岩石；同时刀盘在旋转装 置的驱动下给滚刀施加滚动力矩带动滚刀 绕刀盘中心轴公转，在滚刀公转的同时， 由于掌子面对滚刀的摩察力作用，使滚刀 还绕各自的刀轴自转，这样就使得滚刀在 岩面上连续滚压。刀盘施加给刀圈的推力 和滚动力矩的结果是：推力使滚刀刀圈压 入岩体，滚动力矩使滚刀刀圈滚压（剪切） 岩体。通过滚刀刀圈对岩体

8、的连续挤压和 剪切，使安装在不同刀位的滚刀在岩面上滚 切出一系列的同心园槽。（见下图） 滚刀滚压岩石的破碎效果随着推力的 不同而不同。有试验证明岩石的破碎一般 分为三个阶段：即研磨、疲劳破碎和有效 体积破碎。 研磨研磨：当滚刀受到的推力很小时，刀 圈对岩体的挤压力远小于岩体的极限强度， 岩体破碎是在摩擦力作用下引起的表面磨 损。破碎的颗粒小，刀圈磨损严重，对岩 体的破碎速度慢。 疲劳破碎疲劳破碎：当滚刀受到的推力逐渐增 大，但刀圈对岩体的挤压力仍小于岩体的 极限强度，通过刀圈对岩体的多次碾压下， 岩层沿滚压方向会分布一定的压应力，岩 体会沿压力线产生疲劳裂纹，进而发生破 碎。 有效体积破碎有效

9、体积破碎：当滚刀受到的推力足 够大，刀圈对岩体的挤压力大于岩体的极 限强度时，刀刃贯入岩层使岩体产生内应 力，迫使岩体产生跳跃式的裂纹直接破碎， 破碎块度增大，破碎速度加快，并随刀盘 压力的增加而线性增加（但受其它条 件的制约，压力不能无限增大）。岩面被 盘形滚刀挤压破裂而形成多道同心圆沟槽。 随着沟槽深度的增加，岩体表面裂纹加深 扩大，相邻同心圆沟槽间的岩石成片崩 落完成盘形滚刀的破岩过程。该工况下 破岩速度快刀圈磨损小，岩石破碎过程所 消耗的比能也小。实际掘进过程中，破岩 效果和刀盘推力、滚刀刀圈间距、刀圈刃 口型状、岩层特性等有关，很难完全达到 最佳的体积破碎，往往是各个阶段都有。 此外

10、，在掘进过程中，盘形滚刀在刀盘上 的运动除绕刀盘中心的切向圆周公转、滚 刀自转和沿掘进方向的切深挤压运动外， 还有沿刀盘径向的滑移运动，且在同样转 速下半径越小滑移越大，因此滚刀正常情 况下磨损最严重且容易出现弦磨的部位是 靠近刀盘中心滚刀的刀圈，滚刀受到岩层 的侧滑力的方向是沿半径背离刀盘轴心方 向。 2.3.2 锥形球齿滚刀的切削机理锥形球齿滚刀的切削机理 锥形球齿滚刀的刀齿是镶嵌于锥形刀 体表层的硬质合金球柱（齿柱），这种齿 柱是由粉末冶金制成，两种 主要的材料是 碳化钨和钴，钴是起粘结剂的作用，并控 制压入齿柱的 物理性能（抗磨和抗弯）。 还添加一 些其他的微量金属。压入齿柱的 抗压强

11、度根据不同岩层的使用条件约为 2600-3100 MPa ，硬度一般为HRA80-90， 齿形一端以半球面者居多,所以常称球 齿，也有锥形等其它形状的(见图2.2)。由于这些 特点,球齿滚刀适用于掘进硬岩地层,球齿滚刀是靠 压碎和研磨作用来进行破碎岩石的。压入齿柱的 形状和伸出刀体的高度可根据岩层条件的不同而 有所不同，目前盾构机不常用。 二、二、 盾构机刀具的选型盾构机刀具的选型 首先要考虑地层的多样性首先要考虑地层的多样性 刀具的选用是否适用于该项目的地层 条件是影响使用效果的关键因素之一，因 此选用刀具时首先要考虑该项目的具体地 质条件。施工中各工程遇到的地层条件是 千变万化的，但不管其

12、怎样变化，其主要 地质状况不外乎土层和岩石两大类或两类 地层的不同组合形式。 就土层而言，是以各种沙土、粘土、 填土、胶结泥等形式或者以它们的不同组 合呈现在掌子面，它们的硬度都比较低， 强度特性较弱，比较容易被撬动和剥落， 一般抗压强度在30MPa以下，用刮削类刀 具即可完成掘进施工。 就岩层而言，是岩石以各种不同的强 度和固体形状或以它们的不同组合形式呈 现在工作面，它们的强度特性较高，（常 以单轴抗压强度来表达）抗压强度一般在 30MPa以上，必须用滚切刀具或用滚刀和切 刀的组合来完成掘进施工。常见的岩石单轴 抗压强度参考值如下： 岩石种类岩石种类 抗压强度抗压强度(MPa) 岩石种类岩

13、石种类 抗压强度抗压强度(MPa) 花岗岩 98245 石灰岩 29245 石英片岩 69178 闪长岩 177294 玄武岩 147294 大理岩 98245 片麻岩 49196 云母片岩 59127 砂 岩 19.6196 板 岩 98196 泥灰岩 1298 页 岩 9.898 从上述岩性对比可以看出，在不同的地层 进行施工所适用的刀具是不同的，但所有 的刀具也都是围绕怎样切割、剥落各种岩 层和土层来进行施工的。刀具的研发也是 如此，经世界各国多年的研究和施工实践， 目前所使用的盾构机刀具主要还是刮削类 刀具和滚切类刀具。对于不同地层的掘进 施工，应采用不同型式的刀具。在确定刀 具形式之

14、前必须对施工地层进行勘察取样 与试验，制定出详细的地质报告，一 般地层都是以组合地层条件出现的，也有 单一地层的情况，然后根据地层的分布特 性和岩石抗压强度选择刀具。 选择刀具一般应遵循以下原则选择刀具一般应遵循以下原则 2.1 根据经济性选择刀具根据经济性选择刀具 (1) 掘进速度快、效率高； (2) 单位进尺刀具消耗费用少； (3) 尽可能适应多种地层掘进要求；种类少， 备件费用低： (4) 掘进单位进尺动力消耗少，综合费用低； 2.2 根据地层条件选择刀具根据地层条件选择刀具 对于软土层来讲是比较好选择的，只 要耐磨性好、排渣好的刮削刀具一般就能 满足需要；对于岩石地层，则主要考虑岩 石

15、的如下特性 （1）岩石的强度）岩石的强度 岩石的单轴抗压强度是影响掘进效率 的关键因素之一。一般盾构机最适合掘进 抗压强度为30-150MPa的中软岩地层。刀 具的费用部分地取决于岩石的强度。在较在较 软岩石中，抗压强度是一种较可靠的衡量软岩石中，抗压强度是一种较可靠的衡量 标准。但在中硬岩石中，岩石的抗压强度标准。但在中硬岩石中，岩石的抗压强度 与实际可破性往往不成正比与实际可破性往往不成正比。这是由于某 些中等抗压强度的岩石有弹性或韧性。在 掘进过程中，它对掘进的阻力大于岩石抗 压强度所表示的阻力。弹性表现为岩石的 韧性，当刀具压入时，岩石变形而不碎成 岩渣。在这类岩石中掘进，其困难程度大

16、 于抗压强度虽然大但其脆而易碎的岩石。 世界各地都在研究，寻求能表示岩石可破 性的可靠指标。但地层往往是复杂的，刀 具的选择一定要考虑其复杂性。 （2）岩石的耐磨性）岩石的耐磨性 选择刀具还必须考虑的第二个因素是 岩石的耐磨性。岩石的硬度和耐磨性越高， 刀具消耗和施工成本就越高，造成停机换 刀次数增加，影响掘进速度，在相对不耐 磨的岩石中即使抗压强度很高，采用盘形 滚刀或楔齿滚刀往往效果很好。反之在耐 磨性大、抗压强度小的岩石中往往要用硬 合金球齿滚刀，以免频繁换刀造成停工。 （3）岩体的结构面发育程度）岩体的结构面发育程度 岩体的结构面发育程度即岩体裂隙化 程度与掘进效率有很大的关系。抗压强

17、度、 硬度、耐磨性相同或相近的岩体，若结构 面发育程度不同，掘进机的掘进速度的差 异明显。 由于各种刀具的结构型式、破岩机理 和破岩部位地质的不同,每一种刀具只能适 应于一定的掘进地层。表3.1是美国瑞德公 司推荐的几种刀具的使用范围。 表3.1 几种刀具的推荐使用范围 分类抗压强 度 MPa 典 型 岩 石 刀 具 型 式 软土层 软岩 30页岩 粘土 泥岩 刮刀;齿刀;楔齿 滚刀 中软岩 30-85石灰岩 砂岩 大理石 火山岩 凝灰岩 盘形滚刀;楔齿 滚刀 中硬岩 85180 白云石 片麻岩 花岗岩 片岩 长石 硬质合金楔齿滚 刀；盘形滚刀； 盘形球齿滚刀 表3.2各类刀具的主要破岩机理

18、刀具类型刮刀球齿滚刀盘形滚刀 主要 破岩 机理 刮 削 剪 切 挤 压 研 磨 龟 裂 运动形式滑动滚动+微滑滚动 刀齿形状刨刀状球面状楔状 （4）复合地层刀具的选择）复合地层刀具的选择 对于地层条件不一致的复合地层，如 沙卵石地层，土层、胶泥层以及岩石层等 层叠分布的地层，施工和选择刀具都是有 一定困难的，这时一定要综合考虑各种地 质特性，选用部分既要能适合土层、胶泥 层掘进的刮刀，也要选用一部分能对付岩 石层的滚刀，并交错布置刀具，互相能够 补偿，充分发挥其应有的潜能。在刀具制 造时，也要采取相应的措施。如在刮刀制 造时充分考虑其耐磨性，在刀具的结构形 式上既要有利于刮削，也要有利于帮助滚

19、 刀清理岩渣和胶泥团的刮刀；在滚刀制造 时，既要考虑破岩的需要，有足够的强度 和硬度，又要考虑沙卵石地层对滚刀的磨 损，在刀体外表面和刀座外表面堆焊耐磨 材料或其它耐磨措施，防止过早磨损失效， 同时还要控制滚刀的启动扭矩不要过大， 以免滚刀在通过沙卵石层和土层时不能自 转，产生弦磨破坏失效。 三、盾构机刀具的结构特点与设计制造三、盾构机刀具的结构特点与设计制造 刮刀的性能结构特点及设计制造刮刀的性能结构特点及设计制造 1. 1 刮削类刀具特点刮削类刀具特点 刮削类刀具一般是通过相对滑动来切 割软岩和土层的，它由刀体和刀刃和安装 座两组成，安装座一般焊接在刀盘上。刮 削刀一般用于软土层和胶结地层

20、的开挖， 有时在复合地层施工中也作为辅助刀具装 在滚刀的后面使用。但此时的安装要低于 盘形滚刀一定的高度，主要是用来辅助刮 削收集滚刀切割下来的岩渣，对刀盘起保 护作用，掌子面的破碎主要还是靠滚刀来 完成的，只是为了把被滚刀破碎后的岩渣 及时收入清渣槽，以防渣土积聚磨损刀盘， 如果只用刮刀则会迅速将刮刀磨损。 刮刀刀体对刀刃起支持作用，并且刀 体还起到在刀盘上的安装连接作用，要求 具有较高的强度、刚度和耐磨性；刀刃部 分通常直接与掌子面接触起切割、撬动岩 土层的作用，要求刀刃耐冲击、高强度和 高耐磨性。 1.2刀类刮刀具的设计制造刀类刮刀具的设计制造 俗话说好刀看刃，为了延长刀具使用 寿命，刀

21、刃部分通常采取钎焊或镶嵌（通 过钎焊或热装）优质硬质合金刀片，其硬 度一般在HRA83-88之间，以保证刀刃部分 的锋利和耐磨性，满足切割软岩和土层的 需要。合金刀片的形状和尺寸较多，根据 不同的刀盘安装要求和地层情况而定，要 求其具有较高的耐磨性、抗冲击韧性及与 刀体的可焊性（焊接结合时）；刀体 要具有足够的强度和耐磨性，通常选用中 碳合金钢或空淬钢，使硬度达到HRC40以 上，也常常采用表面硬化技术或局部堆焊 耐磨层；其形状则根据需要可作成各种形 状和尺寸，所以，刮削刀具的种类繁多， 目前盾构机上常用的刮削类刀具主要有边 刮刀、贝克刀、切刀、齿刀、先行刀等， 其切削的方式和切削机理是一样的

22、，本文 通称刮削类刀具。 滚刀的结构特点及设计制造滚刀的结构特点及设计制造 2.1. 盘形滚刀的结构特点盘形滚刀的结构特点 滚切类刀具是通过刀具的滚动来切割 岩层的，所以人们又常常习惯称为滚刀。 它一般是通过刀框座和螺栓连接在刀盘上 的，在工作过程中，它不仅要在刀盘的带 动下随刀盘进行公转，同时还要围绕自身 刀轴进行自转，通过不断的连续滚动对岩 层进行滚切、挤压和摩擦，使掌子面上岩 层逐渐龟裂剥落，完成对岩层的切割破碎。 并且滚刀是由多个零部件经加工后装配而 成的，不仅要求硬度高、耐磨性好，而且 还要求密封性能好，承载能力大，主要用 于岩石层和复合地层的施工。 根据刀体和刀刃的形状不同，滚刀可

23、 分为：锥形滚刀、盘形滚刀（又分钢刀圈 滚刀和球齿刀圈滚刀）。盾构机刀盘上现 在一般只安装盘形滚刀，根据其在刀盘上 安装位置的不同，滚刀又分为：中心滚刀、 正滚刀、边滚刀等。 我们知道盘形滚 刀的主要性能是用来 破碎岩石的，必须具 有良好的滚压和剪切 破岩功能,适应多种地 层和岩石条件。盘形 滚刀的刀圈是易损件， 因其消耗量大，价格 也较贵，应能 在工作 现场进行更换，以提 高其使用价值， 附：正滚刀结构图 刀圈的断面几何形状根据岩层条件变化可 有多种选择。滚刀的内部件与其切削刀圈 同样重要，性能优良的轴承和轴系零件以 及性能可靠的密封、润滑，可以提高滚刀 的承载能力，延长使用寿命。较好的刀座

24、 结构便于滚刀在刀盘上安装拆卸，安全可 靠。所有这些都是设计时应当加以考虑的。 盘形滚刀有1012151719等多种 规格系列，现在盾构机常用的一般为17 系列滚刀，发展的趋势是19滚刀。我们 现以17盘形滚刀为例将其结构性能特点及设 计制造过程说明如下： （1） 17盘形滚刀技术性能指标：盘形滚刀技术性能指标： 滚刀直径 17”(432mm) 滚刀承载能力 30吨/把 滚刀适应地层条件 30200MPa 滚刀启动扭距 3070N.m （2） 17盘形滚刀结构特点：盘形滚刀结构特点： 滚刀分为正滚刀、边滚刀、中心滚刀等。根 据地质条件的差别，有单刀圈滚刀和多刀圈滚刀。 其内部结构如上图所示。它

25、们主要由刀圈、刀体、 刀轴、圆锥滚子轴承、金属浮动密封环、刀盖(座) 及联接螺栓等件组成。目前不论其规格大小和安 装部位的不同，盘形滚刀的内部结构均采用背对 背安装的圆锥滚子轴承组合、油浴润滑、金属浮 动密封环密封形式。根据安装方式的不同，滚刀 刀盖和刀轴轴头有不同形式。根据地层和刀具种 类的不同，刀圈的厚度从57.2mm80mm不等,刀 圈的内孔尺寸各公司也有差别,刀圈刀刃也有不同 形状。 2.2 盘形滚刀主要件的设计制造盘形滚刀主要件的设计制造 在满足滚刀正常安装、适合地层的条 件下，影响滚刀使用寿命的四大关键是刀 圈、刀体、轴承和密封的制造和装配质量。 现将这几种零件的制造和装配过程介绍

26、如 下： （1）刀圈的制造）刀圈的制造 滚刀刀圈是影响滚刀使用寿命的关键， 其制造质量不好会因过早磨损，断裂而降 低整刀寿命。刀圈直径采用目前国内外流 行的17吋（432mm） 尺寸。刀圈的断面形 状对破岩影响较大， 目前刀圈刃部的轮廓 线已趋于流线型，通 常刀圈边缘半径R=3- 4mm。滚刀刀圈材料 有两大类：即整体合 金钢刀圈和镶硬质合 金齿的刀圈。（见右 图） 整体合金钢刀圈材料主要以热作模具 钢为主，硬度一般在HRC55-60之间, 它的 特点是可以承受较大的冲击载荷，并具有 较好的耐磨性能，刀具制造费用相对较低， 适用于中硬岩层条件破岩做业。合金球齿 刀圈是在合金钢刀圈基体上镶嵌硬质

27、合金 柱齿，硬质合金柱齿头部呈球状，硬质合 金硬度为HRA85-88。一般情况下，抗压强 度超过150Mpa的坚硬岩层采用球齿刀圈进 行施工，能很好地解决刀圈硬度（主 要是合金球齿硬度）和韧性（刀圈基体的 韧性）的矛盾，因为合金钢刀圈在提高硬 度增加其耐磨性的同时会增加脆性、降低 韧性而使其强度降低，容易使刀圈崩裂， 球齿刀圈能很好的解决这个问题，其寿命 是钢刀圈的1.5-3倍，比较适合安装在边滚 刀和超挖刀等耐磨性要求较高的刀位，但 制造成本较高。根据刀圈的工作条件，刀 圈材料应满足以下性能： a )高的屈服强度，减少刀刃端在高应力下压 溃变形； b )良好的冲击韧性，提高材料裂纹扩展功，

28、防止刀圈断裂； c )足够高的硬度，增加耐磨性，减少刀圈磨 损； d )良好的抗回火性能，提高材料的热稳定性， 保证刀圈在热装和滚压岩体过程中不降低 硬度。 e )良好的热加工和冷加工的工艺性能，材料 成本低，制造方便，提高产品合格率。 （2）滚刀密封特性及制造：）滚刀密封特性及制造： 密封可保存轴承润滑剂并防止外来物 进入，对保证轴承正常工作和延长工作寿 命是十分重要的。金属浮动密封环属于机 械端面密封的一种，非常适用于滚刀作业 的复杂多变的地层工况条件（使用环境恶 劣，且有一定的外部介质压力，其载荷具 有低速重载和冲击性的特征）具有一定的 承压能力以及良好的密封性能和较长的寿 命。 这种密

29、封由两个啮合的经过硬化处理 的合金钢或高铬铸铁密封环和两个富有弹 性的复曲面橡胶圈组成。用复曲面橡胶圈 调整密封环位置，因它有浮动能力，可以 补偿装配端面间隙或防止偏斜。复曲面密 封圈使金属密封环端面压力恒定。当空间 有限而采用短滚刀时，可采用改进型浮动 端面密封。（此时采用一个复曲面橡胶圈， 一个金属密封环，一个精加工过的滚刀零 件端面）。 金属密封环是密封件中的主要零件， 其结构及质量的好坏起决定性作用。金属 密封环采用高硬度的耐磨、高铬钼的铸铁 材料，硬度HRC60-65，工作表面粗糙度 Ra0.1um，表面平面度0.0015mm。 这种金属密封环的特点如下： a )采用3.5度导油斜面

30、及小曲率半径球面环与 平面环结构，有利于形成油膜,以保证轴承 润滑油不泄漏及阻止泥土进入轴承腔； b )采用高光洁度及高硬度工作面，使之贴合 良好，减少了摩擦阻力，提高密封性能； c ) 加厚了密封环的尺寸，提高了结构强度； d ) 浮动密封环采用的0型橡胶圈,是按刀具工 况要求，研制的专用橡胶件（P118及P229 胶料），使用效果良好；与普通橡胶相比， 具有可压缩性大及回弹性好等特点。即使 在外界岩土的冲击中，也始终对金属密封 环施加压力，让金属环工作面始终接触， 保证轴承润滑油不泄漏并阻止泥土进入轴 承腔，起到密封效果。 （3） 滚刀轴承结构特性滚刀轴承结构特性 滚刀轴承大都采用美国铁姆

31、肯公司生 产的圆锥滚子轴承作为滚刀的轴承，这种 轴承选用渗碳淬火钢制造，表面有很高的 硬度，芯部有很高的强度和韧性，这类轴 承要求具有以下的优点： a ) 能同时承受径向载荷和轴向推力； b ) 就相同的轴承尺寸而言，相对寿命更长； c ) 就相同的承载能力而言，尺寸较小。 d ) 调节性能好：不管是轴向游隙还是预加负 荷，均能按设计要求 调整到最佳性能； e ) 其锥型结构固有的自动移油特点，能从滚 道接触区域排除任何微粒沾染物，大大降 低了受工作环境污染物的影响； f ）与其他类型的滚子轴承相比，因其纯滚动 效果较好，摩擦系数减少，磨损速度慢， 使用寿命长； g ) 由于其内外滚道可分离，

32、安装和拆卸十分 简便；另外轴承载荷的变化对轴承的寿命 是有很大影响的，铁姆肯公司给出的结论 是：载荷减少一半，轴承寿命增加十倍： 载荷增加一倍， 轴承寿命降低90%。例如 一个轴承在18144公斤的压力下，转速 为 120转分时，按设计理论计算轴承寿命为 564小时，而当载荷减少50%时，轴承寿命 可延长至5684小时，提高十倍以上。 （4）刀体、刀盖的制造）刀体、刀盖的制造 刀体是滚刀的主要受承载力的零件，它支撑 着刀圈进行破岩切削，同时又保护着滚刀内部的 轴承和密封进行正常的运转，既要有足够的强度 承受来自刀盘和掌子面的挤压力，又要有较高的 耐磨性来应对刀圈破碎下来的岩渣的磨损；刀盖 是浮

33、动密封的保护支撑体，同时又起到压紧轴承 调节滚刀启动扭矩的作用，两者材料一般选用 42CrMo材质的锻件，并经两次热处理，使硬度达 到HRC40-45，对于有的沙卵石复合地层，为了 提高刀体的耐磨性，还在刀体上堆焊碳化钨等耐 磨材料，保证其满足特殊地层的耐磨性需要。 （5） 滚刀的装配滚刀的装配 滚刀的装配环节是保证滚刀的综合性 能的关键过程之一，要保证各个配合尺寸 的过盈量符合设计要求，保证所用轴承的 预紧力的调整，并仔细检验所用密封是否 存在划伤等缺陷，进行密封试压检验，加 足润滑油，并根据地层条件调整好滚刀的 启动扭矩。硬岩时启动扭矩要大一些，软 岩时启动扭矩要小一些，以防止滚刀不转 而

34、出现弦磨，造成滚刀过早损坏。滚刀扭 矩一般在30N.m-70N.m之间。 （6） 润滑的要求润滑的要求 因为金属浮动密封环需要配合以油浴润滑， 故采用圆锥滚子轴承制造厂家推荐的车辆齿轮油 （GL-5），它具有如下特点： a ) 良好的抗磨性。能在被润滑表面形成牢固油膜， 以防止轴承和浮动密封环高工作压力区表面擦伤 和胶合。 b ) 良好的抗氧化安定性，以适应在苛刻条件下长期 使用，而不易氧化衰变。 c) 良好的抗泡沫性，在保证操作条件下，剧烈搅拌 过程中产生的泡沫少，并易于消灭。 d) 良好的防锈性能 ，以保证被润滑表面不产生腐蚀 和锈蚀。 此外，稀油润滑的充满性和排气性好，也有 利于滚刀使用

35、。 四、刀具的布置使用与发展趋势四、刀具的布置使用与发展趋势 根据刀具特点合理布刀根据刀具特点合理布刀 不同的工程地质条件应采用不同的刀 盘结构形式和布刀方式及刀具组合类型。 布刀是否合理将直接影响施工效果和项目 效益。在设计刀盘时刀具配置应考虑以下 几方面： 1.1 按施工技术特点布刀按施工技术特点布刀 为保证施工操作安全可靠，首先应考虑 以下几点 （1） 使刀盘受力均衡、振动小、运转平稳； （2）刀具覆盖整个断面 （3）不得引起巷道偏斜； （4）方便排除渣土； （5） 便于装拆和检查修理。 1. 2 按刀盘各区工作特点布刀：按刀盘各区工作特点布刀： 根据刀 盘上三个性 质不同的区 域(中心

36、区，中心区， 正面区及边正面区及边 缘区缘区)的工作 特性，布刀 时一定要充 分考虑其分 布特点。 （1） 中心区刀具受力和使用特点中心区刀具受力和使用特点 该区是刀盘的中心，特点是位置小， 滚刀安装在刀盘的回转中心处，施工过程 中滚刀公转半径很小，而曲率很大。根据 运动学原理，滚刀在施工中要受到刀盘的 推力、刀盘扭矩对滚刀产生的滚切力以及 刀盘旋转使滚刀产生的向心力。而向心力 的大小在滚刀推力不变的情况下与滚刀的 向心加速度成正比，而向心加速度大小， 从公式An=V2/可以看出，当刀盘做匀 速回转时，与曲率半径成反比，靠近刀盘 中心的向心加速度可以是无穷大，它表明 滚刀速度方向的变化率非常大

37、，几近沿半 径方向滑动，所以中心滚刀除承载刀盘推 力和滚动阻力外，还要承受很大的向心力， 中心滚刀受力以扭转和沿刀盘径向滑擦为 主，这一点在滚刀配置时要充分考虑。目 前在竖井刀盘上常安装单支点中心刀以减 少中心刀的滑动磨损。而在盾构机刀盘的 中心刀承受刀盘推力较大，常用同规格的 双刃盘形滚刀，内部安装四列承载轴向力 较大轴承来满足其受力需要。 （2）正面区刀具受力和使用特点）正面区刀具受力和使用特点 该区处于中心区和边沿区之间，工作 时刀具正对着掌子面，其受力情况与中心 刀基本相同，不同的是远离刀盘回转中心， 有较大的转弯半径，也就是说曲率半径较 大，所受向心力较小，大部分滚刀是以纯 滚动工作

38、为主，切向速度与边滚刀相比也 比较低，又有足够的布置空间，所以该区 布刀容易，一般常把滚刀和刮刀配合布置， 刀具使用寿命也长。在硬岩中掘进时，正 面区布刀应尽量使各刀具磨损均匀、尽量 使滚刀纯滚动,这时无论是轴承寿命还是刀 圈寿命都比较高。 （3）边缘区刀具受力和使用特点）边缘区刀具受力和使用特点 该区刀具位于刀盘的边沿，其刀具的安装要 从正对掌子面逐渐过渡到切削隧道内壁。其安装 如下图示：可以看出，边滚刀的受力从全部受正 压力到逐渐加大轴向受力，当安装倾角大于45 角时，以受轴向力为主，所以边滚刀安装角不易 40 边滚刀安装示意图 大于45。每把边滚刀受力都不一样，除受上述 分析的三向力之外

39、，还要受沉积到底部没有排出 的岩渣产生的挤压力，刀具受力非常复杂。同时 边滚刀的自转速度和公转线速度也较高，根据动 力学原理，可把滚刀作为一个质点，则它的动量 MV（M为滚刀质量，V为滚刀线速度）就比较大， 当遇到大块岩石撞击时，会产生很大的冲量，会 对边滚刀造成致命的损坏。边滚刀除要承担大量 的破岩外，还要保证开挖直径，所以边缘区布刀 是刀盘布刀的关键，常常布刀量比较多，有些公 司还对刀圈形状和刀体进行特殊设计，并制做成 专用边滚刀，以满足施工需要。 合理使用刀具合理使用刀具 2.1 建立刀具档案建立刀具档案 在每一工程掘进施工开始时，就对每个刀位 的刀具建立档案，记录安装日期，掘进进尺，更

40、 换的时间，修理时更换的零件及日期，修理内容 等，同时记录相邻刀具的更换状态和相邻刀具高 差，尽量按标准更换和按时更换，只要规定的使 用寿命到期，外观还没有完全报废也应更换，避 免刀具内部带病使用，一个周期不到就提前损坏， 给相邻刀具带来超负荷使用造成损坏，甚至造成 刀盘磨损。 2.2 制定科学的换刀计划制定科学的换刀计划 刀具的寿命在施工过程中因地质条件 的变化而变化，每项工程的施工过程中， 其刀具的耐用度是不同的，在一项工程开 工后，应根据工程地质报告和在初期掘进 过程中采集装置采集到的各种掘进参数进 行分析，（与刀具磨损相关的参数包括： 掘进速度、总推力、刀盘总扭矩、刀盘转 速、进尺等）

41、通过参数分析，预测刀具的 磨损状况，统计找出能反映刀具变化的一 个合理周期，制定出科学的换刀计划，尽 可能做到主动换刀，避免被动换刀，也就 是在施工整备时间内换刀。这就要求准确 判断刀具状态，既不盲目更换，增加刀具 消耗，又力求减少在施工中出现刀具漏油、 轴承损坏、刀圈偏磨、断裂、螺栓断裂或 松动等不允许存在的故障现象，从而减少 掘进中被迫停机进行刀盘检查和刀具更换 的现象。 2.3 正确使用刀具正确使用刀具 首先要严格控制装机刀具质量，保证 进洞的上机刀具都符合刀具相关标准要求， 做到正确使用刀具也是减少刀具消耗的重 要因素之一，以盘形滚刀为例应从以下几 方面考虑： （1）合理使用刀圈）合理

42、使用刀圈 在施工中，刀圈的使用量大，且价格 比较贵，据统计隧道掘进硬岩施工中刀圈 费用占刀具费用的30%左右，因此，使刀 圈得到充分利用，尽可能使每个刀圈的实 际磨损量大于允许磨损量，是减少刀圈消 耗的重要条件，这就要求在掘进时充分保 证每把滚刀的负荷平衡，控制推进速度平 稳，转速适宜本项目特点，使刀盘不偏载， 刀圈不弦磨，刀盘推力适宜才能保证刀圈 的充分利用。 （2 ）合理使用轴承）合理使用轴承 充分发挥轴承的使用寿命。现在盘形 滚刀使用的轴承大都是进口美国铁姆肯公 司生产的锥面滚子轴承，价格昂贵，轴承 消耗量大，在硬岩掘进施工中,据统计刀具 轴承费用占刀具消耗费用的15%左右，按 国外滚刀

43、有关技术规程，刀具轴承的使用 寿命为564小时，前已述及，适当减小轴承 负荷，可以大大提高轴承寿命，因此要适 当控制轴承负荷，也就是要控制刀盘推力， 使其与其它相关刀具零件处于相当的经济 寿命，同时要保证轴承装配时的预紧量， 能够减少轴承的消耗。 （3 ）合理使用密封）合理使用密封 滚刀内部的金属浮动密封，由于其结 构特点是成对使用，工作过程中自动形成 滑动密封副，具有不可重复拆装使用的特 性，据统计在硬岩掘进施工中，刀具密封 费用占到了刀具费用的10%左右。合理使 用浮动密封的关键是装配维修时，保证刀 盖给浮动密封施加的压力适当，一般以每 对浮动密封上加压后10N.m的扭矩为宜，过 大会加快

44、密封的摩擦，降低使用寿命，也 是较低刀具费用的重要途径之一。 （4）合理使用刀体、刀盖）合理使用刀体、刀盖 刀体、刀盖在刀具使用中不能算易损件， 但这几种零件相对较大，造价也较高，使 用中往往发生不同程度的不正常变形损坏， 这主要和工程地层条件关系较大。最好是 根据项目地质情况，由刀具供应厂家有针 对性的改进这些零件的材料和热处理性能， 提高其适应性，同时对这些损坏零件制定 出正确的判定标准和检测方法，进行恢复 性修理，也能减少这些零件的消耗。 （5）加强规范操作，减少事故性刀具损坏）加强规范操作，减少事故性刀具损坏 经对有的工程施工调查发现，有时为 了提高效率赶工期，加大推进力和提高刀 盘转

45、速，特别是在不均匀地质段推进过快 等原因，或者是地层不稳，应采取防范措 施而未采取，造成刀具的意外损坏的情况 也时有发生，这时损坏的刀具往往不是一 把，而是一批，有时甚至很严重，难于修 复。加强规范操作和施工管理，制定科学 的操作施工参数，也能减少事故性刀具的 损坏。 比如刀盘的回转速度在理论上是以边滚 刀转速每分钟100转为计算基础的。刀盘 回转速度n可用以下近似公式表示： n= 100d / D， 式中：D-隧道掘进直径， d-为滚刀直径。 一般的讲，在给定地质条件和刀具推 力的情况下，刀盘直径越小，刀盘转速可 以相对提高；滚刀直径增大，刀盘转速可 以相对提高；刀盘直径（掘进孔径）越大，

46、所选盘形滚刀的直径也应越大。 （6） 刀具的定期检查刀具的定期检查 刀具在掘进施工过程中因地质条件的 变化，其刀具的耐用度是不同的，在一项 工程开工以后，应根据在初期掘进过程中 制定的换刀计划和掘进参数，预测刀具的 磨损状况。也就是利用掘进机上配备的数 据采集装置采集与刀具磨损相关的参数进 行分析，通过分析掘进速度或刀盘总扭矩 的理论值与当前实际值之间的偏差值来判 断刀具的磨损状况，在换刀计划之内统计 找出一个能反映刀具变化的合理周期进行 刀具检查（这个周期一般比换到计划周期 短，也应在施工整备期内进行），可以实 现在施工过程中及时发现刀具的磨损状况， 对还没有达到换刀计划周期但已经磨损或 失

47、效的刀具及时进行更换，以免导致刀圈 超量磨损、断裂、轴承异常损坏甚至引起 相邻刀具的损坏，造成严重事故的发生。 刀具的常见失效形式刀具的常见失效形式 3.1 刀具常见失效形式刀具常见失效形式 （1）刀具正常磨损）刀具正常磨损 滚刀在进行掘进时,掘进进尺速度与其刃 口宽度有关。随着滚刀刀圈磨损量的增加, 刃口宽度随之增加,达到一定范围时会影响 掘进速度,由于受到刀圈加工工艺的限制,而 且新装刀圈与齿刀之间有一定的高差（各 刀盘设计的高差值不同），所以当正滚刀 与中心刀最大磨损量为达到与齿刀规定的 高差时为正常磨损，而边缘滚刀则因隧道 直径差及所处位置的要求,其磨损极限一般 为15mm。正常磨损是刀具失效的主要形式, 其磨损形状为在刃口宽度范围内磨损较均 匀，不偏磨、不弦磨。 （