盾构关键部件刀盘结构及耐磨材料及加工

盾构关键部件介绍
刀盘结构及耐磨材料
提纲
一、刀盘结构介绍 二、刀盘制作过程介绍 三、不同厂家刀盘展示
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盾构机是在地面以下暗挖隧洞的一种机械设备，主要是通过刀盘对掌子 面岩土进行开挖。其中刀盘的主要功能是：
1、开挖掌子面岩土； 2、稳定掌子面；
3、搅拌土体。
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一、刀盘结构
盾构机在施工过程中会遇到各种不同地层，如淤泥、粘土、砂层、软 岩、硬岩等式。作为盾构关键部件之一的刀盘工作环境恶劣，受力复杂。 刀盘结构形式与工程地质情况密切相关，不同地层应采用不同的刀盘结构 形式。
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刀具布置方式：同心圆布置和阿基米德螺旋线布置方式 。
刀间距
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典型刀盘的刀具布置：
中心滚刀：8把，刀间距：90mm，刀 高：175mm 正面滚刀：22把，刀间距：95mm， 刀高：175mm。 边缘滚刀：8把 切刀：64把，刀间距：150mm，刀宽 ：160mm，刀高：140mm 边缘刮刀：32把（左右各16把） 保径刀：8把 刀盘开挖直径：6280mm 边缘刮刀开挖直径：6270mm 保径刀开挖直径：6260mm 刀盘外径：6250mm
此处焊缝要求等级为Ⅰ级，焊 接前预热温度为150～200℃，焊 接工艺参数：ER50-6，φ1.2， I=240～330A，U=24~33V, L=15～20L/MIN；焊接时严格控 制层间温度150 ～ 250 ℃；然后 将其余的刀盘主体结构板点焊、 加焊。
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刀盘主体结构焊接完成后需要经过去应力处理：铸造支腿需要经过 时效处理；焊接支腿结构形式刀盘需要经过退火处理。 在机加工之前需要进行喷砂、喷漆处理。 刀盘转加工
刀盘与前盾间隙为 30mm，刀盘厚度与土 舱长度有关。
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4、刀盘支承方式
刀盘支承方式可分为中心支承式、中间支承式、周边支承式三种 。支承方式与盾构直径、土质对象、螺旋输送机、土体粘附状况等 因素有关。
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刀盘不同支承方式的性能对比表
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5、刀具
刀盘上配置有不同类型刀具，使盾构机能适应软土到硬岩各种地层的掘进 。 滚压类刀具：单刃滚刀、双刃滚刀、三刃滚刀等。 切削类刀具：切刀、刮刀、齿刀、保径刀、超挖刀、中心鱼尾刀、贝壳刀等 。
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1、刀盘结构组成 刀盘主要由刀盘体、刀具、磨损检测器、搅拌棒、泡沫管 路等零部件组成。刀盘体由钢结构焊接而成，刀具有滚刀(齿 刀)、切刀、边缘刮刀、超挖刀、保径刀等。
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2、刀盘结构形式
（1）纵断面形状 刀盘纵断面形状大致有以下几种：
Ø 垂直平面形； Ø 突芯平面形； Ø 穹顶形； Ø 倾斜形； Ø 收缩形。
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滚刀破岩机理 当滚刀受载，刀刃切入围岩时，岩石表面首先产生局部变形并出现
微观裂纹，此过程为岩石的初期破碎，当载荷继续增加，滚刀切入岩石 深度也相应的加深，在滚刀刃端的岩石粉碎破碎，并且又重新被碾压， 围观裂纹在刀刃两侧较快发展，一些裂纹开始延伸到岩石表面，最后形 成几道主要裂纹并迅速发展，便形成体积较大的岩石碎块，继而崩落。
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三、不同厂家刀盘展示
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7、泡沫注入口
向刀盘掌子面及土舱内注入泡沫或膨润土等材料，改善渣土流塑 性及抗渗性。 泡沫注入口数量与刀盘直径、支承方式及刀盘形状等有关。
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8、回转接头
回转接头分为泡沫接头、液压接头、电气接头三部分，回 转接头固定于刀盘小法兰上。
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9、支腿
焊接支腿：采Q345C钢 板拼焊而成。
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6、支腿与法兰焊接
焊缝需求等级为Ⅰ级焊缝；焊接时注意控制变形，需加辅助支撑加固 。 焊接前预热温度为150～200℃，焊接工艺参数：ER50-6，φ1.2，I=240～ 330A，U=24～33V,L=15～20L/MIN；焊接时严格控制层间温度150 ～ 250℃
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7、面板、辐条与大圆环等焊接
℃。
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翻转刀盘：刀箱与大圆环组装、 点焊；点焊后均匀加焊；此类焊缝为 Ⅱ级焊缝；然后将其余前主体部分板 按图位置点焊，焊接；焊接时要求保 持对称焊接，以减小焊接过程中引起 的变形；在以变形的地方要求加辅助 支撑。
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8、支腿法兰与刀盘体组焊
刀盘大法兰组件与刀盘主体铆 装点焊，要控制好大法兰与大圆 环的同心度；
焊缝需求等级为Ⅱ级焊缝； 焊接尺寸需预留3mm焊接 收缩量。
刀箱焊接需要辅助支撑加 固；
向上立焊位置；焊接工艺参数 ：ER50-6，φ1.2，I=160～ 220A，U=20～25V,L=15～ 20L/MIN；层间温度100～ 250℃；
平焊位置；焊接工艺参数： ER50-6，φ1.2，I=180～ 320A，U=19～32V,L=15～ 20L/MIN；层间温度100～ 250℃；
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➢ 切刀刀座、切刀刀座楔块 与刀盘体铆装，铆装时必 须把切刀装配到切刀刀座 上，由刀具工装检验切刀 位置，要求保证切刀高度 尺寸140mm，定位后点焊 ；
➢ 保径刀与刀盘体铆装，由 刀具工装检验保径刀符合 图纸的尺寸要求，定位后 点焊；
Ø超挖刀组件与刀盘焊接
为了防止导轨再度变形，必须要控制好焊接工艺参数； 焊接工艺参数：J507NiMA,φ4.0，I=130～170A;焊前焊条须经380400℃烘焙1-2小时，随烘随用；采用短弧操作，窄道焊方法。
在大圆环及面板划与之相焊的刀箱、筋板位置线，由于每个刀箱 的角度都不一样，要注意正确定好刀箱位置。
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翻转刀盘，将板过渡板与大圆环 点焊； 在大圆环上气割出组装单刃滚刀 刀箱和边缘刮刀位置的缺口，并 修磨需焊接位置； 焊接工艺参数：ER50-6，φ1.2， I=240～330A，U=2433V, L=15～20L/MIN； 焊接时严格控制层间温度150 ～ 250
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刀圈断面形状有楔刃形和平刃形，刀刃角一般有60°、75°、90 °、 120 °或平刃等，掘进硬岩时一般用较大刀刃角，掘进较软岩石时用较小刀 刃角。对于特别软的岩层，刀刃角小容易嵌入岩层，增大刀刃角甚至做成平 刃可以改善掘进效果。因平刃盘形滚刀与岩石表面接触面积磨损前后变化小 ，近年来平刃刀具使用逐渐增多。
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Ø滚刀 在硬岩掘进时，采用滚刀破岩，滚刀破岩的特点是依靠刀具滚动产生
冲击压碎和剪切碾碎的作用达到破碎岩石的目的。根据形状不同，可分为 盘形滚刀，球齿滚刀，楔齿滚刀等。盘形滚刀是刀圈为盘形的滚刀，根据 刀刃多少又分为单刃滚刀、双刃滚刀和三刃滚刀。目前普遍使用的是单刃 滚刀，盘形滚刀主要由刀圈、刀体、刀轴、轴承、密封等组成。
缺点：对于地下水压大，易坍塌土质，易喷水喷泥
辐条式 （开口率大）
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辐板式（开口率居中）
具体应用哪种形式刀盘应根据施工条件及地质情况等因素决定，一般 而言，土压平衡盾构根据地质条件可选用辐条式、面板式和辐板式，泥水 平衡盾构一般采用面板式或辐板式。
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3、刀盘与切口环的位置关系
刀盘与切口环的位置关系有三种形式， Ø刀盘位于切口环内，主要适用于软弱地层； Ø刀盘外沿凸出切口环，适用于土质范围较宽； Ø刀盘与切口环对齐，适用范围居中。
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Ø鱼尾中心刀
软土地层掘进时，中心部位不能布置切刀，布置鱼尾刀可改善 中心部位土体的切削和搅拌效果。
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6、刀具布置
主要原则：
Ø 尽可能保证刀盘和刀具的受力均匀，使作用在大轴承上的 径向载荷尽量减小到最低。
Ø 切刀全断面双向布置在主梁的两侧，使整个掌子面都在切 刀的切削范围内，保证刀盘不论正反转都能全断面切削土体 。 Ø 使每把盘形滚刀破岩时所受的负荷尽量相等，即每把刀的 破岩量相等，保证刀刃两侧的侧向反力能相互平衡；前面的 刀具能为后面的刀具提供破岩临空面，形成前后滚刀顺次破 岩。
铸造支腿：整体铸造 成形
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二、刀盘制作过程
下料-刀盘体铆焊－机加－刀座铆焊－刀具安装－组装调试
刀盘焊接内容包含：刀 盘主体结构、刀箱、刀 座、管路焊接、耐磨板 等；
主体结构焊接主要 分辐条与面板结构焊接
、支腿等焊接。
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1、焊接结构顺序及辅助工装使用
▪ 焊接结构要求：刀箱、支腿、辐条与大圆环及面板等焊接同步进 行；然后将各零部件组焊。 刀盘支腿、支腿与面板以及支腿与法兰之间的焊缝为I级焊缝，所 有刀箱焊缝以及刀箱与面板连接的焊缝为II级焊缝；其余未注焊缝 为Ⅲ级； 所有I级、Ⅱ级焊缝应进行100%UT检测，按JB4730合格进行验收; 所有Ⅲ级焊缝应进行20%UT检测，整体焊缝应作100%MT检测， 都按JB4730-Ⅲ级为合格进行验收。
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Ø刀盘耐磨措施
1、瑞典SSAB Hadox450耐磨板 2、德国蒂森克虏伯XAR450耐磨板 3、耐磨材料堆焊
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Ø刀盘管路焊接
1）管路焊接前需要 进行水压试验： 试验压力2Mpa， 保压时间30min ，无任何泄漏为 合格；
2）前端法兰焊接 。
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➢ 其他零部件的焊接，包含搅拌棒、刀盘吊耳，刀盘吊耳；吊 耳焊接要求Ⅰ级焊缝。
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9、刀座焊接
➢ 焊接前需调整刀 盘水平；刀座焊 接需要刀具工装， 刀具工装与刀盘 体组装后，要求 工装位置调至水 平、工装轴心与 刀盘轴心一致。
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➢ 滚刀、齿刀装配：滚刀、齿刀装配时需要调整刀箱的水平、 位置尺寸，高度尺寸175mm，要按刀座装刀工装来确定。 滚刀由滚刀刀座装配工装替代，以加大装刀效率。 刀箱调整 需要通过M16螺栓与压板调整。
焊缝需求等级为Ⅱ级焊缝；其余筋板焊接要求焊缝等级为Ⅲ级。 此部分为刀盘前开挖部分，焊接顺序如下：
1）铆焊前需确定刀盘圆心，放样划线； 划出面板分布位置，大圆环定位线，十字刀箱定位线，划线时注意要 标明圆心点位置；
2）将面板十字刀箱按划线摆放正确，将中心圆环校正垫高150mm， 然后将刀箱与中心圆环焊牢加固，用支撑将面板固定（要保证翻身时 所需强度足够），焊接过程注意控制焊接参数以减少焊接变形。
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（2）刀盘正面形状 刀盘的正面形状主要有面板形、辐条形以及介于两者之间
的辐板形。
面板式 （开口率 相对较小 ）
优点：面板直接支随掘削面，有挡土功能，有利于掘削面稳定；
缺点：掘削粘土层时，晚发生粘土粘附面板表面，妨碍刀盘旋转，影响掘削
质量，防止措施是外加添加材料等。
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辐条式优点：刀盘掘削扭矩小，排 土容易，土舱压力能 有效作用于掘削面
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滚刀的安装形式
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Ø切刀
切刀是软土刀具，布置在刀盘开口槽的两侧，其切削原理是盾构向前 推进的同时，切刀随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向(沿隧道前进方向)剪 切力和径向(刀盘旋转切线方向)切削力，在刀盘的转动下，通过刀刃和刀 头部分插入到地层内部，象犁子犁地一样切削地层。切削机理示意图如下 。
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2、刀箱焊接
焊缝需求等级为Ⅱ级焊缝；焊接尺寸需预留3mm焊接收缩量。 刀箱焊接需要辅助支撑加固； 焊前预热，预热温度为100～150℃； 平焊位置；焊接工艺℃；参数：ER50-6，φ1.2，I=180～320A， U=20～32V,L=15～20L/MIN；层间温度100～250
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3、中心十字刀箱焊接
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切刀安装形式
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Ø边缘刮刀
边缘刮刀位于刀盘弧形周边，在软土地层中用于刮削土体 ，在岩石地层中用于刮渣，起装载作用。
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Ø齿刀
适用于土层及软岩 地层。安装方式与 滚刀相同。
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Ø超挖刀（仿形刀）
超挖刀（仿形刀）是 为曲线推进、转弯、 纠偏而设计的，安装 在刀盘的边缘上，通 过一个液压油缸来控 制刀的伸出量。
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4、支腿焊接
焊缝需求等级为Ⅰ级焊缝； 支腿焊接需要辅助支撑加固； 焊前预热，预热温度为150～200℃ 焊接工艺参数：ER50-6，φ1.2，I=240～330A，U=24～33V,L=15～ 20L/MIN；控制层间温度100～250℃；
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5、超挖刀组件焊接
导轨焊接：焊接要求保证尺寸，保证内腔尺寸，平面度及垂直度，定 位尺寸通过加工台阶保证，通过控制焊接工艺参数以及辅助工装来控 制焊接变形。