tbm 滚刀刀圈材料性能的研究

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1、冶金之家网站TBM滚刀刀圈材料性能的研究张占杰1，赵金华1，吴志生1，刘朴2，赵海峰2，袁国3(1．太原科技大学2．北方重工集团有限公司3．东北大学)摘要：隧道掘进机破岩的主要工具是刀圈。分析了刀圈常见失效形式，选取了两种刀圈，用直读光谱仪测定其成分，通过金相和透射电镜比较其显微组织，用维氏硬度计和冲击试验测定了硬度和冲击功。刀圈一的硬度约为700HV，冲击功2～3J；刀圈二的硬度大于530HV，冲击功30～40J。比较了其生产工艺的不同，提高材料的纯净化、均匀化和细化晶粒，优化热处理工艺，刀圈材

2、料在满足高硬度要求时可保证高韧性。关键词：TBM滚刀刀圈；失效分析；显微组织；高韧性；热处理隧道全断面掘进机(TBM)具有快速、优质、高效、安全、环保的施工特点，近年来广泛应用于隧道工程建设中。随着城市地铁的兴建和资源需求量的激增，国内对TBM的需求量越来越大。TBM刀盘上的滚刀刀圈，是整套掘进设备中技术含量较高的机械备件，是TBM施工的关键部件和易损部件。在施工过程中，滚刀的工作条件极其恶劣，消耗量极大，频繁的换刀严重地影响了施工进度。为减少停机换刀次数，降低圈损耗，开发出更高性能的滚刀刀圈成为

3、重要的研究方向。1破岩机理和影响效率的因素TBM刀盘在纵向油缸施加的推力作用下，将刀盘上的滚刀压入岩石，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，实现滚刀在岩面上的连续滚压。刀盘施加给刀圈推力和滚动力(转矩)，推力使刀圈压入岩体，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。滚刀破岩主要分为3个阶段：挤压阶段、起裂阶段和破碎阶段。挤压阶段中滚刀在高推力作用下，切入岩石表面，同时岩面产生局部变形及很高的接触应力。在此应

4、力作用下，刀刃与岩石接触部分的岩体产生粉碎区，即应力核心区。此核心区深度越深、范围越大对提高破岩效率越明显。在高应力的作用下进入起裂阶段，当沿粉碎区周边应力大于岩体的抗拉强度或抗剪强度时，便产生张拉裂缝，此为能否破岩的先决条件。在应力核心区下层是应力过渡区，该区为应力衰减区，对岩体裂缝的产生不起控制性作用。在刀刃正下方分布有主裂缝，由于其方向与破岩方向一致，因此也不能显著地提高破岩效率，但能加大下个循环中压入阶段应力范围。破碎阶段过程中相邻滚刀的间距使起裂阶段产生的裂缝相互连通时，表面部分岩体便被

5、裂缝分割，形成碎片并脱离开挖面。影响刀圈破岩效率的因素有很多，但根据以往工程实践及试验数据，影响破岩效率的因素主要有：脆性(塑性)和耐磨性。脆性(塑性)是对岩石抗压强度、抗拉强度的综合评价，适用于抗压强度较大(小)，而抗拉强度较小(大)岩石；耐磨性直接关系到盾构机掘进效率，是对刀具进行寿命及备品估算、工期筹划的主要依据。2TBM滚刀刀圈失效分析刀圈失效在掘进过程中经常发生，严重影响了TBM工作效率。刀圈失效形式主要包括：正常磨损、非正常磨损、卷边、打刃、移位、崩裂等损坏形式。刀圈的工作环境和其失效

6、的主要形式表明刀圈应具有高硬度、高耐磨性、高韧性。高耐磨性有助于减少刀圈的磨损量，延长工作时间从而减少停机换刀次数；高韧性能够减少打刃和崩裂等现象的发生，有助于提高TBM掘进速度。一般情况下，材料硬度的提高必然降低其韧性，而韧性的提高又会降低材料的硬度。工程生产中需要具有高硬度和高韧性的滚刀刀圈，高韧性刀圈的开发成为刀圈研发的1个重要方向。冶金之家网站高韧性的TBM滚刀刀圈的开发可考虑以下几方面：1)考虑合金元素Ni，材料中加入一定量的合金元素Ni，能够同时提高材料强度和韧性；2)从冶炼开始，注意

7、提高钢的纯净化、均匀化和晶粒超细化，可使刀圈材料的强韧性获得大幅提高；3)加强对材料热处理工艺参数的摸索，借鉴吸收先进的工艺措施。3TBM滚刀刀圈材料的性能TBM刀圈需要有高硬度、高耐磨性、良好的冲击韧性、一定的抗回火性能和较好的加工工艺性能。由于材料硬度的提高会降低韧性，目前TBM刀圈材料朝着两个方向发展：一是以单纯追求高硬度为目标，这种刀圈韧性较差，适用于硬岩中较软的地质情况；另一方向是在一定硬度的基础上追求较高的韧性，这种材料虽然硬度稍低些，但由于韧性较高，适用于复杂的和特别硬的地质情况。国

8、际上TBM刀圈主要以美国Robbins和德国Wirth为代表。Robbins采用AISI4340钢，成分与国内40CrNiMo钢相近，具有较高韧性。Wirth采用德国材料DIN17350中的X50CrVM05—1钢号，是高硬度刀圈的代表。国内研究Wirth较多，而研究Robbins相对较少，施工过程中需要的刀圈大量依靠进口来满足。目前，国内刀圈在高硬度方面做的较好，在高韧性方面差距较大。在工程实践中，对于一些研磨性较强的砂岩、断裂砾岩等地层，单纯的靠提高材料的硬度来满足地层的需求，