盾構(gòu)機(jī)在長距離高磨蝕性巖層中刀具磨損的數(shù)據(jù)分析

劉美晨

（中鐵九局集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110051）

滾刀是盾構(gòu)機(jī)破巖掘進(jìn)的常規(guī)配置刀具，盾構(gòu)機(jī)在高強(qiáng)度高磨耗的地層中長距離掘進(jìn)中，滾刀磨損失效較為頻發(fā)，頻繁的停機(jī)換刀對工程進(jìn)度和設(shè)備、人員安全影響都很大。本文通過某項目高磨耗地層中滾刀的磨損失效形式進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，旨在總結(jié)出一般規(guī)律，為相應(yīng)同類施工提供參考。

1 盾構(gòu)機(jī)滾刀磨損失效的幾種情形

盾構(gòu)機(jī)滾刀的失效損壞情況主要有以下幾種：

表1 非正常磨損統(tǒng)計

圖2 非正常失效類型占比

（1）正常線性磨損。這種磨損形式表現(xiàn)為滾刀刀圈各處磨損量基本相同，刀具磨損后圓度未發(fā)生大的改變，磨損超過一定極限即判定滾刀失效，需要進(jìn)行更換，這種磨損在滾刀磨損統(tǒng)計數(shù)據(jù)中占比最高。

（2）非線性磨損。這種磨損形式表現(xiàn)為滾刀刀圈圓周各處磨損程度不同，施工現(xiàn)場通稱偏磨。

（3）結(jié)構(gòu)失效破損。這種損壞形式表現(xiàn)為盾構(gòu)滾刀刀圈變形、脫落、崩裂、碎裂，滾刀軸承碎裂、卡死，刀座斷裂脫落等破壞形式。

2 本項目盾構(gòu)機(jī)滾刀失效的幾種主要形式

2.1 線性磨損失效

有相當(dāng)比例的刀具是均勻磨損達(dá)到限值正常更換的，刀圈作為損耗部件替換即可，其他部件仍然可以繼續(xù)使用。

2.2 非正常破損失效

本工程中遇到的刀具非正常失效主要有滾刀刀圈的偏（弦）磨、刀刃磨尖、刀圈斷裂，同時，也遇到了刀圈脫出、螺絲斷絲、三角塊脫落等情況。

3 刀具磨損統(tǒng)計分析

3.1 正常磨損

將各次換刀中正常磨損數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總，并繪制如下圖進(jìn)行統(tǒng)計。

并繪制成條形統(tǒng)計圖，如圖1。

圖1 整個區(qū)間滾刀正常磨損累積值

根據(jù)滾刀刀號統(tǒng)計出的刀具磨損量，由圖1可見。刀具磨損分布主要呈以下特點及規(guī)律：

（1）中心區(qū)(1#～12#)滾刀累積平均磨損量為36.75mm，靠近中心區(qū)域的雙聯(lián)滾刀磨損情況更加嚴(yán)重，有3把雙聯(lián)滾刀的單刀圈累積磨損量超過了50mm，1#～3#雙聯(lián)滾刀磨損最嚴(yán)重，達(dá)到了64mm。

（2）正面區(qū)(13#～35#)滾刀累積平均磨損量為39.83mm，同中心區(qū)域相比有所增加，該區(qū)域磨損最為嚴(yán)重。滾刀磨損量較為不規(guī)律，或因排渣、出渣軌跡不暢所致，35#滾刀累積磨損量最高，達(dá)到了77mm，從磨損峰值上看，磨損量隨中心距增加略有增加。

（3）邊緣區(qū)（49#～58B#）滾刀累積平均磨損量為39.42mm，較中心區(qū)域平均磨損量略有增加，36#～45#滾刀累積磨損量隨中心距的增加呈增加的趨勢。受邊緣刀具安裝存在一定偏轉(zhuǎn)角度變化影響，45#～47#滾刀磨損量隨滾刀編號增大有一定減小趨勢。

3.2 非正常磨損

將各區(qū)域非正常磨損發(fā)生情況進(jìn)行統(tǒng)計，如表1所示。

從表1、圖2可見，非正常磨損在所有換刀中占比達(dá)到了52.51%，占比很大，其中偏磨占比最大，為27.03%，其次，占比較大的非正常失效類型為刀圈破損、崩齒、刀刃磨尖及刀圈脫落，占比分別為8.88%、8.49%、6.95%。三個區(qū)域中，正面區(qū)刀具非正常磨損率達(dá)到了27.03%。

4 經(jīng)驗總結(jié)

（1）本項目滾刀非線性磨損比例偏大，除了地層磨蝕性較高引起外，需要考慮刀盤布置或刀具材料、耐磨層等參數(shù)是否需要進(jìn)一步改良。

（2）弦偏磨情況在本項目中的非線性磨損中所占比例較高，滾刀偏磨后，會導(dǎo)致停轉(zhuǎn)，引起刀盤扭矩增大，影響渣土流動，含黏土地層容易燒結(jié)成塊，降低盾構(gòu)掘進(jìn)施工效率，影響工程進(jìn)度。

單邊弦向偏磨發(fā)生的原因主要是滾刀在安裝后，進(jìn)行掘進(jìn)的同時受到風(fēng)化粉砂巖的摩擦阻止其自轉(zhuǎn)的正常進(jìn)行，從而一直保持某側(cè)切割巖層，導(dǎo)致切割側(cè)出現(xiàn)弦偏磨。多邊弦偏磨則一般是多個單邊弦偏磨的累加，基本是在每次單邊弦偏磨之后，因外界偶發(fā)因素為刀具施加扭矩，而同時掌子面又有回轉(zhuǎn)空間，轉(zhuǎn)動至另一角度后又停止，如是循環(huán)，形成了刀圈多邊弦向磨損。

（3）可考慮采用固態(tài)軸承潤滑油，帶齒滾刀刀圈等改善方法降低滾刀自身轉(zhuǎn)動所需扭矩，從而降低偏磨發(fā)生率。

（4）刀圈掉落現(xiàn)象比較頻繁，須改進(jìn)裝配工藝，現(xiàn)場可考慮適當(dāng)增加擋圈焊點補(bǔ)救。

（5）針對刀圈斷裂、崩齒情況，應(yīng)適當(dāng)改善刀圈材料韌性，提高其沖擊強(qiáng)度。