大跨度高铁桥梁设计创新

1、1 报告人：郭京波石家庄铁道大学2022年5月3日盾构刀具磨损及检测技术2目 录1 12 23 34 4盾构刀具的破坏盾构刀具的破坏盾构刀具失效分析盾构刀具失效分析刀具磨损检测发展方向刀具磨损检测发展方向刀具磨损检测现状刀具磨损检测现状344556正常磨损正常磨损刀圈断裂刀圈断裂刀圈挡圈磨损或脱落刀圈挡圈磨损或脱落偏磨、多边形磨损偏磨、多边形磨损滚刀漏油滚刀漏油轮毂磨损轮毂磨损油封座损坏油封座损坏轮毂或油封座损坏轮毂或油封座损坏n 滚刀破坏形式滚刀破坏形式1盾构刀具的破坏盾构刀具的破坏77正常磨损偏磨刀圈断裂1盾构刀具破坏盾构刀具破坏8 1盾构刀具的破坏盾构刀具的破坏991盾构刀具的破坏盾构刀

2、具的破坏101盾构刀具的破坏盾构刀具的破坏11轴承失效模式：破损或是滚道划出沟槽，疲劳点蚀磨损或是轴承保持架破损滚子损坏压坑/震蚀1盾构刀具的破坏盾构刀具的破坏12n 刮刀及先行刀磨损刮刀及先行刀磨损1盾构刀具的破坏盾构刀具的破坏131盾构刀具破坏盾构刀具破坏14刀具失效造成的损失是巨大的、如此造成的破坏是让人痛心的。那么，为什么会出现这样的结果呢？除去地质和施工因素，还有其他什么原因呢？2盾构刀具失效分析盾构刀具失效分析序序号号磨损磨损类型类型磨损外观磨损外观磨磨 损损 机机 理理1 1粘着粘着磨损磨损麻点麻点材料的相互作用是主要因素。粘着磨损的过程实际上是材料的相互作用是主要因素。粘着磨损

3、的过程实际上是摩擦副双方间原子键的形成（显微熔接）和分离过摩擦副双方间原子键的形成（显微熔接）和分离过程程2 2磨料磨料磨损磨损擦伤、沟擦伤、沟纹、纹、条痕条痕硬颗粒或硬突起引起摩擦表面破坏，分离出屑或形成擦硬颗粒或硬突起引起摩擦表面破坏，分离出屑或形成擦伤的过程伤的过程3 3疲劳疲劳磨损磨损裂纹、点裂纹、点蚀蚀摩擦副材料微体积受循环接触应力，产生重复变形，导摩擦副材料微体积受循环接触应力，产生重复变形，导致裂纹和分离出微片或颗粒的过程致裂纹和分离出微片或颗粒的过程4 4摩擦摩擦化学化学磨损磨损反应产物反应产物（膜、（膜、微粒）微粒）在摩擦作用促进下，摩擦副的一方或双方与中间物质或在摩擦作用促

4、进下，摩擦副的一方或双方与中间物质或环境介质中的某些成分发生化学或电化学反应的过环境介质中的某些成分发生化学或电化学反应的过程程5 5微动微动磨损磨损磨屑的研磨屑的研磨磨由上述四种机理叠加而成。如果两接触固体彼此以振幅由上述四种机理叠加而成。如果两接触固体彼此以振幅小于小于100m100m的摆动运动方式作相对运动的过程，则的摆动运动方式作相对运动的过程，则会出现细小磨屑的研磨作用会出现细小磨屑的研磨作用磨损机理五种类型： 2盾构刀具失效分析盾构刀具失效分析16n 软弱地层，土压平衡或泥水平衡状态刀盘及刀具受力刀具在掘进过程中所受载荷变化为偏置的正弦曲线2盾构刀具失效分析盾构刀具失效分析17n

5、上软下硬地层，土压平衡或泥水平衡状态FT刀具在掘进过程中，由于受到硬的基岩作用，受到的冲击，动载荷突变，瞬间载荷是巨大。刀盘及刀具受力2盾构刀具失效分析盾构刀具失效分析18刀具的安装形式影响也很大盾构与TBM相比，刀具及安装形式是不同的。2盾构刀具失效分析盾构刀具失效分析正转反转刀具受到的载荷不均，交变载荷疲劳（螺栓连接），各环节均有可能失效。192盾构刀具失效分析盾构刀具失效分析202盾构刀具失效分析盾构刀具失效分析21增加刚度支撑对称2盾构刀具失效分析盾构刀具失效分析22浮动金属环密封失效形式：密封的破损、表面熔化、磨损密封失效原因：装配误差、阻力太大、压力过低长期未使用生锈2盾构刀具失效

6、分析盾构刀具失效分析23由于土体压力的存在，EPB和SPB工况基本一致。使得刀具轴承密封内外压力不一致，有压差存在。2盾构刀具失效分析盾构刀具失效分析24泥浆岩石通过刀体和密封形成的保护之间挤进去，过一段时间后，变干燥，就像水泥一样将一个金属密封环与另外一个密封环凝固到一起。当滚刀再转动时，凝固在一起的金属密封也许会瞬间一起转动拉扯橡胶环密封，这可能会损坏到橡胶环密封，润滑剂将会从滚刀中泄露出，并且土和碎石渣有可能进入到轴承腔。2盾构刀具失效分析盾构刀具失效分析25当滚刀应用于高压使用时。在高压下工作引起的问题是泥浆推挤橡胶密封，推动它移位到密封法兰斜坡下。这就推动金属密封之间挤得更紧，增加密

7、封表面的面接触压力，这样密封环就像是一个刹车。刀具的驱动扭矩增大。2盾构刀具失效分析盾构刀具失效分析26当温度升高时，内压增大，使得金属环压紧，摩擦增大。2盾构刀具失效分析盾构刀具失效分析27压力补偿方法：1 在刀轴中心设置压力补偿活塞，随外部压力增加活塞移动，导致内部压力上升到一个相等的水平。当然，压力补偿装置的外面被石渣封住了，活塞不能向相反方向移动，可能导致内部压力超高，毁坏密封。2 在密封端盖的环孔上安装有一张膜片，当大气侧压力上升时移动，导致内部压力上升。这种方法有着同样的问题，膜片的保护罩上的呼吸孔容易被堵塞住。2盾构刀具失效分析盾构刀具失效分析283. 装有弹簧的活塞，可以提供2

8、3bar的预装内部压力，在外部压力高达6bar时，造成最高3bar压力差。2盾构刀具失效分析盾构刀具失效分析29（1）开舱检查n 最常用最直接最可靠的方法，停机后由人工进舱逐个刀具检查。在不稳定地层中，开舱前需首先进行地层加固或压气作业，方可入舱检查。n 开仓检查的方法最为直接有效, 但却存在很高的风险, 可能造成开挖面的坍塌, 进而影响隧道周边建筑物的安全。3刀具磨损检测现状刀具磨损检测现状30（2）异味添加剂n 适合在TBM 中应用，例如在秦岭隧道所使用的WIRTH 公司生产的滚刀，为了检测轴承失效情况，在其轴承润滑油中加入了具有异味的MOLYUAN 添加剂，掘进中若刀具漏油，则放出刺鼻的

9、异味，能很敏感地报告刀具损坏信息。n 在土压平衡式盾构和泥水式盾构中效果不佳。3刀具磨损检测现状刀具磨损检测现状313）刀具磨损感应装置 在刀具或刀盘内安装液压或电子传感器系统，一旦刀具磨损到一定程度就会自动报警指示。3刀具磨损检测现状刀具磨损检测现状32n 滚刀磨损感应装置则是采用液压油缸从刀盘伸出至滚刀刃尖，通过比较伸出行程与磨损前行程的差值判断滚刀的磨损量。n 此外还有一些采用液压短路、光纤维短路或超声波等方式来判断滚刀磨损的感应装置。n 由于感应装置只能在少量刀具上安装，应用范围小，使用效果受到很大限制。3刀具磨损检测现状刀具磨损检测现状334)掘进参数分析 随着刀具的磨损，在推力不变

10、的情况下，掘进速度一般会降低，扭矩增加，据此可以粗略估计刀具磨损情况。但由于掘进速度、扭矩受众多因素影响，包括推力变化、转速变化、地层变化、土舱压力变化等，故往往还难以直接用于判断。 刀具偏磨后，刀刃将与岩石表面发生剧烈摩擦，产生大量热量，导致渣土温度升高，故渣土温度异常时也可能意味着刀具失效。3刀具磨损检测现状刀具磨损检测现状34（5）岩渣形状分析 一般地，新刀产生的岩渣块度较大，多呈片块状，菱角分明，刀具磨损后，岩渣块度变小、粉末增加。此外还可留意观察渣土中有无金属块，崩裂的刀圈往往会随渣土一并排出。 在TBM中应用较多。3刀具磨损检测现状刀具磨损检测现状356）其它检测方法 通电式检测法

11、 在刀具制作时先将电线埋入刀具中，随着盾构的掘进，当刀具磨耗达到限定磨耗量时，通电电线被磨断，于是电路断路，通知外界。也可以做出多级磨损监测。3刀具磨损检测现状刀具磨损检测现状36n 实时获取刀具状态信息是发展的趋势。n 实时获取刀具的磨损量对研究刀具的磨损规律、刀具寿命预测、刀具设计、刀盘刀具布置优化、刀具消耗量的估计以及施工成本预测等具有重要意义。4刀具磨损检测发展方向刀具磨损检测发展方向37（1）刮刀的磨损测量n 利用超声波传感器进行测量，利用同一个发射接收电路，实现多通道的采集。（2）滚刀的磨损测量n 利用电涡流传感器进行测量，进行两个方位同时测量，监测滚刀刀圈的磨损及转速。4刀具磨损

12、检测发展方向刀具磨损检测发展方向384刀具磨损检测发展方向刀具磨损检测发展方向刀具磨损检测系统刀具磨损检测系统刀具磨损检测系统软件主界面刀具磨损检测系统软件主界面394刀具磨损检测发展方向刀具磨损检测发展方向40选取选取总推力、刀盘转速、刀盘扭矩总推力、刀盘转速、刀盘扭矩三个掘进参数作为一组模糊三个掘进参数作为一组模糊系统的输入量，系统的输入量，刀具磨损量刀具磨损量为输出量。建立自适应神经网络模为输出量。建立自适应神经网络模糊系统来研究三个掘进参数对刀具磨损的影响程度。糊系统来研究三个掘进参数对刀具磨损的影响程度。 滚刀磨损预测滚刀磨损预测自适应神经网络模糊系统检验结果自适应神经网络模糊系统检验结果 4刀具磨损检测发展方向刀具磨损检测发展方向4刀具磨损检测发展方向刀具磨损检测发展方向刀具寿命综合预测软件42（3）刀具状态的可视化n 利用摄像头等在盾构停机时进行测量，以减少开仓检查的次数。n 已经投入