盾构机刀具材料
盾构机械刀盘设计中的材料与优化分析
盾构机械刀盘设计中的材料与优化分析盾构机械刀盘是在地下工程中使用的重要工具，它承担着掘进、支护和排土的任务。
在盾构机械刀盘设计中，材料的选择和优化分析是关键的因素之一。
本文将对盾构机械刀盘设计中涉及的材料和优化分析进行详细探讨。
1. 材料选择在盾构机械刀盘的设计中，一般采用高强度、高耐磨性的材料来确保其在复杂地质环境下的可靠性和耐久性。
以下是在盾构机械刀盘设计中常用的材料：1.1 钢材：一般选择优质的耐磨钢，如国内的42CrMo等，具有高强度、高硬度和良好的耐磨性能。
1.2 合金材料：常用的合金材料有硬质合金和高速钢。
硬质合金具有高硬度、高耐磨性和较好的韧性，适用于切削和磨损较大的部位；高速钢具有高硬度、高切削性能和较好的韧性，适用于切削和磨损较小的部位。
1.3 复合材料：复合材料由两种或更多种材料组合而成，具有材料各自优点的综合性能。
可以根据具体的工程要求选择合适的复合材料，如钢与陶瓷的复合材料、钢与橡胶的复合材料等。
2. 材料优化分析在盾构机械刀盘的设计中，材料的选择之外，还需要进行优化分析，以确保刀盘在使用过程中的稳定性和效率。
以下是一些常用的材料优化分析方法：2.1 综合性能评价：通过评估材料的硬度、韧性、耐磨性、耐蚀性等综合性能，选择最适合的材料。
可以使用材料试验和数值模拟等方法进行综合性能评价。
2.2 材料强度分析：通过材料的强度参数（如抗拉强度、屈服强度等）和应力分析，评估材料在工作环境下的稳定性。
可以使用强度理论和有限元分析等方法进行材料强度分析。
2.3 优化设计：在材料选择和刀盘结构设计时，综合考虑材料的机械性能、梁端受力和变形等因素，以最小化刀盘的质量和尺寸，提高刀盘的效率和使用寿命。
同时，盾构机械刀盘的设计还要考虑与其他部件的匹配、制造和维修的方便性等因素。
只有在材料选择和优化分析的基础上，才能设计出安全可靠、高效耐用的盾构机械刀盘。
总结起来，盾构机械刀盘设计中的材料选择和优化分析是确保盾构机械刀盘能够在复杂地质环境下安全、高效工作的关键因素。
盾构滚刀材料及其热处理工艺
盾构滚刀材料及其热处理工艺程巨强（西安工业大学，陕西西安710021）［摘要］介绍国内外盾构滚刀刀圈材料的化学成分、热处理工艺、全相组织及性能特点。
盾构滚刀刀圈材料一般用中、高碳模具钢制造，通过模锻成形，机械加工后进行淬火回火处理。
热处理后刀圈的表面硬度HRC56-60、心部硬度HRC50-56，全相组织为回火马氏体、贝氏体、碳化物及残余奥氏体组成，并介绍了提高刀圈材料使用性能的主要途径。
［关键词］盾构刀圈材料；热处理；组织；性能［中图分类号］TU621 ［文献标志码］B ［文章编号］1001-554X（2015）02-0096-05Disc cutter ring materials and the heat treatment process of shield machineCHENG JU-qiang盾构刀盘的刀具一般分为切削刀和滚刀两类，开挖较硬岩层时，采用盘形滚刀，破碎较软岩石或软土地层时，采用齿刀、切刀或刮刀。
刀具材料主要由刀体、硬质合金及刀具的堆焊材料等组成。
盾构工作时用于刀具的费用较高，以德国维尔特公司TB880E为例［1］，刀盘直径为8.8m，刀盘上工布置71把外径为432mm盘形滚刀，其中6把中心滚刀、62把正滚刀和3把边滚刀，用于刀具费用约占掘进施工费用的三分之一［2］。
为了提高滚刀的耐磨性，降低生产成本，的刀圈材料应具有较高的强度、硬度和韧性。
本文介绍盾构滚刀刀圈材料及其热处理工艺特点，为选择刀圈材料和改善刀圈的耐磨性提供参考。
1 盾构滚刀的组成及其失效形式图1为盾构滚刀的组成示意图，盘型滚刀一般由刀圈、刀体、挡圈、端盖、轴及轴承等组成，刀圈可拆卸，磨损后可进行更换。
刀体外装刀圈和挡圈，内装轴承，两侧装有滑动密封和端盖。
刀圈采用过盈配合，一般加热到100～200℃安装到刀体上［3］，挡圈为2个半圆环，卡入刀体槽内再焊接为整环。
盾构在岩层开挖时，安装在刀盘上的滚刀一面自转，一面随刀盘转动，利用刀盘产生的推力破岩，因此滚刀工作时受到岩石剧烈的磨料磨损，消耗量较大，是盾构主要易损部件之一。
盾构机刀盘刀片材料与结构性能研究
盾构机刀盘刀片材料与结构性能研究一、引言盾构机作为一种用于地下隧道建设的重要工程设备，其刀盘刀片是其关键部件之一。
刀盘刀片的材料与结构性能对盾构机的工作效率、稳定性以及安全性都具有重要影响。
因此，对盾构机刀盘刀片的材料与结构性能进行深入研究是十分有必要的。
二、刀盘刀片的材料研究1. 材料选择刀盘刀片的材料需要具备一定的硬度、强度和耐磨性。
目前常见的材料包括合金钢、高速钢、硬质合金等。
在选择材料时，需要综合考虑刀片的工作条件、切削力以及切削速度等因素，以确保刀片在长时间工作中具有较好的性能表现。
2. 材料处理为提高刀盘刀片的材料性能，可以采用多种材料处理技术，如热处理、表面处理等。
热处理可以通过调控材料的组织结构和硬度，提高刀片的耐磨性和强度；表面处理可以形成一层保护性涂层，增加刀片的磨损抗性。
三、刀盘刀片的结构性能研究1. 刀片形状刀片的形状对其切削效果和寿命有直接影响。
目前常见的刀片形状包括圆形、方形、三角形等。
研究各种形状刀片在不同地质条件下的切削效果，可以优化刀片结构设计，提高刀片的使用寿命和切削效率。
2. 刀片连接方式刀片的连接方式直接关系到刀盘的稳定性和刀片更换的便捷性。
目前常见的连接方式有机械连接和焊接连接。
研究不同连接方式在工作中的稳定性和可靠性，可以为刀盘刀片的结构设计提供技术支持。
3. 刀片与岩石的相互作用刀片在工作中与岩石之间存在摩擦、切削力等相互作用。
研究刀片与岩石的相互作用规律，可以为刀片的材料和结构性能提供优化方案，提高工作效率和切削质量。
四、实验与模拟方法1. 实验方法通过设计合理的实验方案，使用专门的实验设备，对刀盘刀片的材料和结构性能进行测试。
例如，可以利用材料测试设备测试刀片的硬度、强度等性能指标；利用磨损试验机对刀片的耐磨性进行评估等。
2. 模拟方法通过建立刀片与岩石相互作用的力学模型，使用计算机模拟软件进行仿真计算，预测刀片的工作性能。
例如，可以采用有限元分析方法对刀片在不同切削条件下的应力、变形等进行模拟计算，以评估刀片的结构稳定性。
浅谈盾构刀具使用及维修管理
浅谈盾构刀具使用及维修管理1.盾构刀具的结构及材质盾构刀具主要由钢制刀头和金属密封组成。
钢制刀头是盾构刀具的主体部分，是盾构刀具直接与土层接触的部位，起着切削、破碎、搅拌等作用；金属密封是盾构刀具与盾构机切割室之间的隔离装置，起到分离泥浆和刀头的作用。
在刀头钢的材质选择方面，由于盾构机作业环境的复杂性，刀头钢的材料不仅要求有很高的硬度和韧性，同时要具有良好的耐磨性和耐腐蚀性能。
常见的盾构刀头钢材有Cr12MoV、6CrW2Si、T15等。
在盾构施工作业中，刀具的使用管理直接影响到施工质量和效率。
因此，盾构刀具的使用管理应根据不同项目的具体情况制定相应的使用规范和管理细则，包括选择合适的刀具、使用规范、保养维护等方面。
2.1 刀具选择在刀具的选择上，应根据具体的施工环境以及施工所需的切削和破碎要求，选择适合的刀具规格和型号。
同时，需要注意不同类型和规格的刀具在切削效率、耐磨性、寿命等方面的差异。
2.2 使用规范在盾构刀具的使用过程中，需要注意以下几个方面的规范：（1）合理控制推量和转速：适当控制推量和转速可以有效降低切削力，减少切削部件的磨损，延长刀具的使用寿命。
（2）正确选择推力控制和转速控制方式：盾构刀具的推力控制和转速控制方式直接影响到施工效率和质量，应根据具体的施工情况和土层状况进行合理选择。
（3）定期检查刀具：使用刀具一定时期后，应定期检查刀具的磨损情况和变形情况，及时更换修复。
（4）定期清洗刀具：在刀具使用过程中，会不可避免地存在泥浆等固体颗粒的附着，会影响刀具的使用寿命和效率。
2.3 保养维护在盾构刀具的使用过程中，保养维护措施也是关键的环节。
一方面，保养维护可以减缓刀具的磨损和变形速度；另一方面，保养维护还可以有效降低修复成本和使用成本。
常见的保养维护措施包括：保持刀头清洁、涂抹保护液、定期检查刀头的变形度，以及采用合适的修复方式等。
随着盾构刀具的使用次数和使用周期的增加，刀具的磨损和损坏情况也会逐渐显现。
盾构掘进机破岩刀具课件
4Cr5MoSiV1 0.32- 0.2- 0.80.42 0.5 1.2
4.75- 1.1- 0.8-
5.5
1.75 1.2
Robbins 0.39 0.53 0.65 0.018 0.009 0.84 0.24 刀圈实测
1.62 0.25
Wirth 刀圈实测
0.50 0.76
0.32 0.032 0.019 5.15
这种密封由两个啮合的金属密封环和两个富有弹性的复合橡胶密封圈组
成。具有浮动能力，可补偿装配端间隙或防止偏斜。金属密封环是密封装置中 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Ra≤0.1um，表面平面 度≤0.0015mm。
目前的滚刀刀圈有两大类：整体耐磨钢材料和镶有硬质合金球齿 的刀具材料。
整体耐磨钢刀圈材料主要以合金工具钢为主，也有合金结构钢， 硬度在HRC52-59, 它的特点是可以承受较大的冲击，并具有较高的耐 磨性能，刀具制造费用较低，适用地层范围广，从软岩、中硬岩到硬 岩都可选用。
盾构掘进机破岩刀具课件
常用刀圈材料成分
盾构掘进机破岩刀具课件
国外刀圈性能 表2
类别
X50CrMoV51 (Wirth刀圈实测)
4340 Robbins刀圈实测
σb(M pa)
δ5%
2050 5.5
Ψ% aK(J/Cm2)
10
14
40
HRC 54－57 52－53
通过对国外刀圈解剖分析和我们的研究，各刀圈制造公司对
标准材料都会作适当调整，并采用特殊的冶炼工艺、锻造工艺和 热处理工艺,保证刀圈的综合性能。
C
Si Mn
盾构机刀盘材料选择与性能评价
盾构机刀盘材料选择与性能评价随着城市化进程的加速，地下隧道建设日益增多。
盾构机作为地铁、隧道等地下工程施工的主要设备，其刀盘材料的选择及性能评价对于施工质量和效率起着重要作用。
本文将对盾构机刀盘材料的选择和性能评价进行详细讨论。
一、盾构机刀盘材料的选择在盾构机刀盘材料的选择中，主要考虑以下几个因素：1. 强度和硬度盾构机刀盘在施工过程中需要承受巨大的压力和冲击，因此材料的强度和硬度是选择的重要指标。
通常情况下，碳钢和合金钢是常用的刀盘材料。
碳钢具有较高的韧性和可塑性，但相对硬度较低；合金钢则强度和硬度相对较高，但韧性较差。
选择刀盘材料时需要根据具体的工程环境、土壤条件和切削要求进行综合考虑。
2. 耐磨性和耐腐蚀性盾构机在地下施工过程中，刀盘与土壤、岩石不断摩擦，容易产生磨损。
因此，耐磨性是选择刀盘材料时需要考虑的重要因素之一。
钢材表面的硬化处理、涂层材料的选用以及刀具设计的优化都可以提高刀盘的耐磨性。
此外，如果施工环境中存在腐蚀物质，如酸碱等，刀盘材料还需要具有一定的耐腐蚀性能。
3. 刀具可更换性刀盘材料的选择还需要考虑刀具可更换性。
由于盾构机刀盘的使用寿命有限，因此需要设计可更换的刀具。
合理设计刀具安装与拆卸结构，选用便于更换的材料，可以提高盾构机的施工效率。
二、盾构机刀盘材料性能评价对于盾构机刀盘材料的性能评价主要是通过实际的使用情况和试验数据进行分析。
以下为常用的性能评价指标：1. 切削效率切削效率是衡量刀盘材料性能的重要指标。
切削效率高意味着材料切削能力强，刀具寿命长，从而可以提高施工效率和降低成本。
2. 磨损速度磨损速度是盾构机刀盘材料性能评价中的重要指标之一。
通过测量刀具的磨损量以及使用时间，可以评估刀具的耐磨性能。
磨损速度低的材料具有更长的使用寿命，减少了因频繁更换刀具而造成的时间和成本的浪费。
3. 断裂强度断裂强度是刀盘材料的基本性能之一。
通过试验测定材料的断裂强度，可以判断刀具是否具有足够的强度来承受施加在其上的压力和冲击力。
北京砂卵石地层盾构机刀具选型
砂卵石地层盾构刀具选型盾构机刀具的配置，是盾构机刀具设计中是非常重要的内容，其配置是否适合应用工程的地质条件，直接影响盾构机刀盘的使用寿命、切削效果、出土状况和掘进速度。
一、刀具分类及工作原理目前使用的刀具一般分为两大类:刮削刀具、滚动刀具1.1.1刮削刀具是指只随刀盘转动而没有自转的破岩刀具.1.1.2刮削类刀具的工作原理在推力的作用下，刮刀嵌如岩渣或岩层中，刀盘带动刀具转动时刮削岩层，在掌子面形成一环环犁沟，特点是效率高，刀盘转动阻力大。
在软土地层或滚刀破碎后的渣土通过刮刀进行开挖，渣土随刮刀正面进入渣槽。
1.2.1滚动刀具是指不仅随刀盘转动，还同时作自转运动的破岩刀具。
1.2.2滚刀工作原理滚刀在推力和滚动力（转矩）的作用下，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（见图）。
二、根据九号线地层进行刀具的选型2.1 北京地铁九号线04标丰六区间地质概况根据北京城建勘察设计院2008年10月提供的《北京地铁九号线工程（丰台北路站～六里桥西站区间）岩土工程勘察报告》，本工程的工程地质与水文地质概况分为9层，盾构施工地层主要为卵石⑤层和卵石⑦层，为砂卵石复合地层：卵石⑤层：杂色，密实，湿，低压缩性，最大粒径不小于420mm，一般粒径20~80mm，粒径大于20mm颗粒含量约为总质量55~75%，亚圆形，中粗砂充填，局部大于200mm的漂石含量约为15-45%。
卵石⑦层：杂色，密实，湿饱和，低压缩性，最大粒径不小于600mm，一般粒径30-120mm，粒径大于20mm颗粒含量约为总质量的60-85%。
亚圆形，中粗砂充填，局部大于200mm的漂石含量约为25-45%。
实际掌子面照片2.2 根据地层情况和刀盘刀具的位置，以刮刀、滚刀和中心刀重点分析。
2.2.1 刮刀（齿刀）刮刀是软土刀具，布置在刀盘开口槽的两侧，盾构机向前推进的同时，刮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，刀刃和刀头部分插入到地层内部，不断将开挖面前方土体切削下来。
简析盾构机刀盘与刀具的选型配置
简析盾构机刀盘与刀具的选型配置1工程概况湛江湾跨海盾构隧道工程是湛江市鉴江供水枢纽工程的一部分，工程位于湛江湾最窄处，不但水深流急，又是进出湛江港的咽喉，航道非常繁忙。
湛江湾盾构隧道穿越南三岛与东海岛之间海底，横穿湛江湾海峡，长2750m。
盾构隧道内径5.1m、外径6.0m。
2工程地质根据勘探资料，场区为深厚第四系地层，从上向下有：①、中全新统海风混积层，②、中全新统海相沉积层，③、中更新统北海组层，④、下更新统湛江组层。
各岩土层主要特征分述如下：①、中全新统海风混积层：黄色中细砂、细砂，局部含泥质，砂质均匀，以石英为主，主要分布在地势较高的陆地。
②、中全新统海相沉积层：主要呈灰色、深灰色，成分不均匀，主要为中细砂，次为中粗砂，含泥质，底部为粗砂，含少量砾，局部为泥粉质细砂、淤泥质细砂，含少量贝壳碎片、腐殖质，见少量薄层粘土夹层，砂以石英为主。
③、中更新统北海组层：主要呈土黄、棕黄、浅黄色，以中细砂为主，含泥质，局部夹粗砂，含少量砾和粘土，含铁质及发育铁质层为其特征，底部以波状起伏的铁质层与湛江组上部杂色粘土接触，铁质层呈暗红色，主要为贴胶结的粉细砂，致密坚硬。
④、下更新统湛江组层：主要为灰色、青灰色粘土、砂质粘土，含淤泥，见少量黑色碳化腐殖质木，土层不均匀，夹有砂层或与薄层砂互层。
砂为中粗砂夹细砂，含泥质、少量砾石，砂以石英为主。
3、刀盘与刀具的型式及布置本工程隧道穿越中全新统海相沉积层砂层和下更新统湛江组层砂质粘土层为主，存在中等～强透水砂层，围岩与海水直接连通，拱顶覆土厚度为20～40m，隧道水下埋深27～61m，最大外水压力约0.3MPa～0.6MPa，外水压力较大。
同时海中无条件设置途中工作井，不能分段掘进，因此本隧道掘进距离长达2750m，对盾构刀盘与刀具的可靠性及耐久性要求高。
同时小直径盾构在高水压条件下刀具更换存在较大的安全风险，换刀过程十分困难且提高了工程成本，耗资巨大，同时对工程进度造成严重影响。
盾构刀具大解析
构刀具。
陶瓷材料
具有极高的硬度和耐磨 性，适用于高速切削和 干切削，但脆性较大。
超硬材料
如金刚石和立方氮化硼 ，具有极高的硬度和耐 磨性，适用于加工极硬
岩石。
制造工艺与流程
01
02
03
04Βιβλιοθήκη 锻造工艺通过高温加热、锻打和冷却等 工序，使钢材达到所需形状和
06
盾构刀具未来发展趋势与挑战
Chapter
技术创新方向预测
新型材料应用
随着新材料的不断涌现，盾构刀 具将采用更高强度、耐磨性和耐 热性的材料，如高性能陶瓷、超 硬合金等，以提高刀具的使用寿
命和切削效率。
智能化技术融合
结合人工智能、大数据等技术， 实现盾构刀具的智能化设计、制 造和管理，提高生产效率和降低
推进和导向
盾构机的推进系统提供前 进动力，导向系统控制盾 构机的掘进方向。
关键技术与创新
刀具材料和制造工艺
高性能的硬质合金、陶瓷和超硬 材料等被应用于刀具制造，提高 了刀具的耐磨性和切削效率。
智能控制系统
引入先进的传感器和控制系统， 实现盾构机的自动化和智能化控 制，提高施工效率和安全性。
01 02 03 04
盾构刀具大解析
汇报人：XX
目录
• 盾构刀具概述 • 盾构刀具结构与工作原理 • 盾构刀具材料选择与制造工艺 • 盾构刀具性能评价与试验方法 • 盾构刀具应用实例分析 • 盾构刀具未来发展趋势与挑战
01
盾构刀具概述
Chapter
定义与分类
定义
盾构刀具是盾构机上的重要部件 ，用于在地下开挖过程中破碎岩 石和土壤。
盾构机常用材料基础知识
盾构机常用材料基础知识目录一、概述 (1)1. 盾构机简介 (2)2. 盾构机的工作原理 (2)二、盾构机主要结构部件及材料 (3)三、盾构机常用辅助材料 (4)1. 油脂类 (6)2. 粘结剂及密封胶 (7)3. 防水材料 (8)四、盾构机材料选择及应用 (9)1. 材料选择原则 (11)2. 不同地层及环境下的材料选择 (11)五、盾构机维护及保养材料 (13)1. 维护及保养项目 (14)2. 常用维护及保养材料 (15)六、结论 (16)一、概述盾构机是一种用于地下隧道施工的机械设备，其主要功能是在地下挖掘出一定尺寸的圆形隧道。
盾构机的性能和使用寿命在很大程度上取决于所使用的材料，本文档将对盾构机常用的材料进行简要介绍，以帮助读者了解这些材料的基础知识。
盾构机所用材料主要包括以下几类：钢材、混凝土、密封材料、润滑剂等。
这些材料在盾构机的不同部位发挥着各自的作用，共同保证盾构机的正常运行和高效施工。
钢材：钢材是盾构机的主要结构材料，具有较高的强度和刚性，能够承受地下土壤的压力。
常见的钢材有Q345C、QQ700等。
钢材还可用于制造盾构机的刀盘、驱动系统等部件。
混凝土：混凝土是盾构机的主要衬砌材料，具有良好的抗渗性和耐久性，能够保护地下水资源和地层结构。
根据不同的工程需求，混凝土可以分为普通混凝土、高强度混凝土、自密实混凝土等多种类型。
密封材料：密封材料主要用于盾构机的管道接口、刀盘与土层的连接处等关键部位，以防止地下水渗漏和空气进入。
常见的密封材料有橡胶密封条、聚氨酯泡沫等。
润滑剂：润滑剂主要用于盾构机的旋转部件，如刀盘、驱动系统等，以降低摩擦系数，延长设备寿命。
常见的润滑剂有矿物油、合成油、水溶性润滑剂等。
盾构机所用材料的选择和使用直接影响到设备的性能和使用寿命。
在使用盾构机时，应根据工程特点和需求选择合适的材料，并严格按照相关标准进行施工。
1. 盾构机简介盾构机的设计需要适应地下高强度和高磨损的环境，因此其材料选择至关重要。
盾构机刀盘刀具的设计与优化
盾构机刀盘刀具的设计与优化盾构机是一种用来建设城市地下隧道的重要工程机械，而刀盘刀具又是盾构机中的核心部件之一。
刀盘刀具的设计与优化对盾构机的工作效率和质量至关重要。
在本文中，我们将探讨盾构机刀盘刀具的设计原则、优化策略以及一些新技术的应用。
首先，盾构机刀盘刀具的设计应考虑以下几个方面：刀具材料的选择、刀具形状的优化以及刀具的布置方式。
刀具材料应具有一定的硬度和耐磨性，以保证刀具在长时间工作中不易损坏。
常见的刀具材料有高速钢、硬质合金等。
刀具的形状优化主要是为了提高切削效率和降低切削力，一般采用多刀刀盘设计，以增加刀具数量和刀具布置的灵活性。
刀具的布置方式则需根据具体工程项目的要求和地质条件来确定，以确保刀具能够适应不同的地质环境。
其次，盾构机刀盘刀具的优化策略主要包括刀具的布置优化、刀具参数的优化以及刀具寿命的优化。
在刀具布置优化方面，可以采用非对称布局、间距调整等方法来改善刀具的使用效果。
刀具参数的优化则需要通过合理选择刀具的直径、刀具间距、刀具角度等，以提高切削效率和降低切削力。
刀具寿命的优化可以通过改进刀具材料、刀具涂层等方式来延长刀具的使用寿命，降低更换频率，从而提高盾构机的工作效率。
另外，近年来，一些新技术的应用也为盾构机刀盘刀具的设计与优化带来了新的机会。
其中，数值模拟技术是一种非常有效的方法。
通过建立盾构机工作的数值模型，可以对刀具受力情况进行仿真分析，预测切削力、刀具磨损情况等，从而指导刀具的设计与优化。
此外，激光测量技术也可以用于实时监测刀具的磨损情况，及时调整刀具参数，提高盾构机的工作效率。
在实际应用中，盾构机刀盘刀具的设计与优化需要结合具体工程项目的要求和地质条件进行深入研究。
同时，应重视刀具的维护和管理，定期进行刀具的检查、修复和更换，以确保刀具的正常工作和延长使用寿命。
总结起来，盾构机刀盘刀具的设计与优化是提高盾构机工作效率和质量的重要环节。
通过合理选择刀具材料、刀具形状以及刀具布置方式，优化刀具参数和刀具寿命，并结合新技术的应用，我们可以提高盾构机的工作效率，降低切削力，提高切割质量，从而为城市地下隧道的建设贡献力量。
盾构机刀具的选型及其磨损分析
61WMEM·2020年 第1期产品与技术盾构机刀具的选型及其磨损分析济南重工集团有限公司 朱振鹏 姜晓彤盾构刀具将会直接影响盾构机掘进效率，不同岩土条件下将会采用不同类型刀具。
将从刀具种类、材料以及性能等方面对盾构刀具进行概括，分析盾构机刀具选型、切削机理以及磨损情况。
盾构法在隧道建设中的应用最初是由英国的布鲁诺在1818年提出的；20世纪60年代我国开始盾构机研制，现在已经基本实现国产化。
盾构机在公路、城市轨道、水利以及铁路等隧道建设中被广泛应用，具有对地面交通设施影响小、掘进速度快、开挖安全以及劳动强度低等优点。
在盾构机掘进系统中，盾构刀具作为关键部件，将直接影响盾构机掘进速度、出土速度和掘进效果。
盾构机在掘进过程中，将会受到岩土作用而产生损耗，为了减少刀具磨损，提高掘进效率，针对不同地质条件需要选择合适刀具。
本文将会针对盾构刀具选型以及切削磨损情况展开分析。
一、盾构刀具的选型1.盾构刀具分类及工作原理盾构刀具按照其切削方式可分为切削刀具和滚动刀具；切削类刀具又可以分为刮刀、先行刀、鱼尾刀和贝壳刀等。
（1）切削刀具切削刀是盾构机切削开挖面土体的主要刀具，其切削原理是盾构机在推进力作用下向前运动，刀具随着刀盘转动将会对土层产生径向的切削力和轴向剪切力，使得开挖面的土体被切削下来。
切削刀具一般形状示意图如图1所示，其中后角α和前角β一般为5°～20°，刀具角度在不同地层下是不同的，其中砂卵石地层稍小，黏土层稍大。
对于软土层或经过滚刀破碎的渣土，将会通过刮刀和切刀正面进入渣槽，如图2、图3所示，刮刀和切刀可以起到很好的切削与运输作用。
图1 切削刀一般形状示意图图3 切刀图4 超前刀切削土体示意图图2 刮刀先行刀也称为超前刀，超前刀切削土体示意图如图4所示。
在切削土体时先行刀一般会在切削刀之前切削土体，将土体切削成块，为切刀切削创造良好条件。
先行刀在切削过程中可以增加切削土体流动性，减少切刀磨损，降低切刀扭矩，提高切削效率。
盾构机--滚刀修复
盾构机的滚刀主要由刀体、硬质合金及刀具的堆焊金属材料等组成。
滚刀在硬岩地层开挖掘进中承担着重任，其重要性无与伦比。
开挖时，安装在刀盘上的滚刀一面自转，一面随刀盘转动，利用刀盘产生的推力破岩，因此滚刀工作时受到岩石剧烈的磨料磨损，消耗量较大，是盾构机主要易损部件之一，因此，需要对其进行修复的工作。
盾构机的刀圈、轴承等都是关键零件，不仅需要较高的刚度，良好的耐磨特性，而且对其韧性也有较高的要求，常用的材料包括硬质合金钢、38simov等，一般圈可拆卸，磨损后可进行更换。
刀体外装刀圈和挡圈，内装轴承，两侧装有滑动密封和端盖。
刀圈采用过盈配合，一般加热到100～200安装到接为整环。
滚刀的失效形式：1、刀圈的磨损分为均匀磨损和非均匀磨损，前者是刀圈周边各部位磨耗程度基本一致的磨损，后者是指滚刀刀圈周边各部位的磨耗程度不一致，即偏磨，发生偏磨主要是由于刀具轴承损坏不能转造成的。
2、刀圈断裂和崩刀主要是由于硬度偏高、韧性偏低造成。
3、刀圈的压馈主要与刀圈的塑性变形有关，产生塑性变形的原因是破岩时因岩石过硬刀圈与岩石产生强烈的磨料磨损而发热，造成刀圈温度升高、硬度降低，从而产生塑性变形。
如对盾构机滚刀修复比较感兴趣，可咨询专业的修复公司：南京中科煜宸激光技术有限公司或者是登陆公司官网进行详细的了解。
南京中科煜宸激光技术有限公司是一家专业从事激光增材制造装备(3D打印、激光修复)、智能激光焊接装备、自动化生产线、核心器件（工艺软件、送粉器、加工头）和金属粉末材料的研发与制造。
中科煜宸是高新技术企业、中国增材制造产业联盟副理事长单位、全国增材制造标委会标准起草参与单位、国家发改委激光再制造产业化基地、国家工信部激光增材制造产业化基地、国家科技部同步送粉增材制造重大专项承担单位，也是江苏省科技厅金属三维打印工程技术中心、南京市金属三维打印技术中心，江苏省经信委激光智能制造协同创新中心。
盾构机刀具选型及维护
• 3.2 根据地层选择刀盘刀具 • 地层不同,刀盘的结构及其刀具的组合布置、刀具 性能的要求也不同。根据地层一般把刀盘分为三 类：刮刀刀盘、滚刀刀盘和复合刀盘
• 刮刀刀盘 切削型刀具适用于未固结成岩的软土地层和某些全 风化或强风化的软岩地层，一般破岩能力在单轴抗 压强度20Mpa以下。对于如上海地区、天津、西 安、郑州等均一的软土地层，通常只使用刮刀类刀 具就可以了。这类刀盘结构相对简单，通常称为辐 条式刀盘或软土刀盘。 • 滚刀类刀盘 盘形滚刀适用于硬岩地层，对于均一的全断面硬岩 地层通常只用滚刀（配以刮板），铁路、公路隧道、 引水工程隧道常常是这类地层。作成的刀盘通常称 为硬岩刀盘或TBM刀盘，目前主要是17〞盘型滚 刀。如秦岭铁路隧道施工的TBM刀盘。
• 在西宁线桃花铺隧道施工中，采用威尔特TB880E 隧道掘进机，国产刀圈与维尔特刀圈对比如表。
• 一组国产刀具应用图片
• 国产面临的问题： • 1）实现标准化或通用化，达成批量化生产降低生 产成本、提高质量稳定性； • 2）刀具生产企业整体实力的提升； • 3）对国产刀具的正确认识
4、刀具的失效形式
• 3.6 国产盾构刀具的应用 我国盾构机刀具的研制，通过铁道部科技攻关和 国家863项目以及一系列的地方产学研项目的完 成，掌握了盾构机刀具制造和应用的核心技术， 走在了世界前列。表现在： 1)应用范围广：广泛应用于城市地铁隧道、江底隧 道、引水隧道和铁路隧道； 2)刀圈的耐磨性接近世界先进水平的威尔特圈； 3)刀具的密封性能优良，能实现长距离掘进； 4）适应性更强，刀具的多样化，解决了我国重大 工程中刀具问题，如北京直径线、广深港狮子洋 隧道、广州地铁、成都地铁等。 5）经济性更好（同样质量前提下）
• 4.1刮刀（齿刀）的失效： 1）正常磨损 2) 刮刀刀刃崩裂：在硬岩掘进中，滚刀磨损太大， 刮刀直接切割未经滚刀破碎的硬岩；在硬岩中掘 进时，转速太快，突遇硬岩，冲击造成刀刃崩裂； 在硬岩掘进中，进刀太深等原因造成刀刃崩裂。 3) 刮刀刀体断裂：刀体本身的强度和韧性不够；进 刀太深。 4) 刮刀掉齿：合金刀齿的焊接工艺不过关；刮刀突 遇硬岩。
盾构刀具简介
盾构刀具简介吕志峰，刘玉海，刘学红山东天工岩土工程设备有限公司，山东聊城252000)摘 要：盾构刀具是盾构机切削岩土的工 具。
本文介绍了盾构机用刀具的分类，扼要叙述了盾构机 的切削 刀具和滚压刀具的功能、形状、用材及制造工 艺，对盾构机用刀具的使用者与管理者有借鉴作用。
关键词：盾构刀具；切削刀分类；滚刀结构；刀具焊接 中图 分类号：TD421.2+5 文献标志码：BIn troductio nto Shield Machi neCutterLU Zhi-feng, LIU Yu-hai, LIU Xue-hong(Shandong Techgongeotechnica Engineering Equipment Co., Ltd, Liaocheng 252000 Shandong ProvincChina)Abstract: The shield machine cutter is a type of tool employed by a shield machine to cut n&cSoil. The paper describes the category of shieldmachinecutters and focuses on the function, shape, material, and manufacturing process of cutters and rolling cutters used on the shieldachine. It can function as a referencfor the usersand keepers of shield machinecutters.Key words: shield machine cutterthe category of shield machine cutters; the structure of rollingutters;the cutter welding经历了从依赖进口到平分国内市场 ，到部分产品 出口的过程。
盾构刀具分析课件
盾构刀具的市场需求
地铁建设
随着城市地铁建设的快速发展，对盾构刀具的需求持续增 长。
水利工程
大型水利工程建设的增加，对盾构刀具的需求也逐渐增加 。
城市管廊
城市管廊建设的推进，对盾构刀具的需求呈现多样化趋势 。
盾构刀具的发展前景
技术进步推动市场发展
随着盾构刀具技术的不断进步，其市场应用范围将进一步扩大。
刀具的日常维护
刀具检查
每次使用后，应检查刀具的磨损 情况，查看刀刃是否出现裂纹或
破损。
清洁刀具
使用后及时清理刀具上的泥土、 岩石等杂物，保持刀具清洁。
紧固刀具
定期检查刀具的紧固情况，确保 刀具固定牢固，防止松动脱落。
刀具的定期保养
涂层保护
定期对刀具进行涂层保护，增强刀具的耐磨性和 耐腐蚀性。
润滑保养
合理设置掘进参数
根据地质条件和岩石硬度，调整推进 压力和转速，避免刀片过载。
加强日常维护保养
定期检查刀具磨损情况，及时更换磨 损刀片；定期紧固刀座螺栓，确保刀 座牢固。
实时监测与预警系统
引入实时监测系统，对刀具的工作状 态进行实时监测，一旦发现异常，及 时预警，避免刀具失效。
04
盾构刀具的维护与保养
03
盾构刀具的失效分析
刀具失效的形式
刀片磨损
盾构过程中，刀片与岩石、土壤等硬 物的持续摩擦导致刀片表面材料损失 。
刀片崩裂
刀座松动或损坏
由于长时间使用或受到不均匀外力作 用，刀座固定螺栓松动或焊缝开裂。
在硬岩掘进时，刀片受到强大的冲击 载荷，导致刀片出现裂纹或崩裂。
刀具失效的原因
材料强度不足
01
定期对刀具进行润滑保养，减少摩擦和磨损，延 长刀具使用寿命。
盾构机刀具材料
盾构机刀具材料北京固本科技有限公司胡建平机械化盾构机的掘削机构,具有开挖地层、稳定开挖面、搅拌渣土等功能,并承受大扭矩、大推力和冲击载荷的作用,其工作状况非常恶劣。
盾构机刀具磨损主要原因为隧道穿越的地层主要为粘土沙，其中夹杂中粗砂、砾砂、卵石，砂性土摩擦阻力大，渗透性强，在盾构的推进挤压下水分很快排出，土体强度提高，故不仅盾构推进摩擦阻力大，而且开挖面土压力也较大，对刀具的磨损会比较严重。
再者外缘刮刀基体耐磨性不够，磨损后造成硬质合金脱落，从而使刀具承受直接磨损，另外绞龙的耐磨性对刀盘和轴承止水密封面的磨损有间接影响。
转场后将要面临更为严峻的地质构造。
本次修复需要综合考虑以上问题，制定合理的堆焊修复盾构机刀具材料，恢复刀具原有外型尺寸，有效减少非正常磨损，保证后续正常的施工质量和进度。
1.盾构机刀具磨损情况盾构机到达重工街站后,立即对盾构机及刀盘进行清理、检查,发现盾构机刀盘外周磨损非常严重。
盾构刀盘本体外缘侧板磨损在纵向方向上呈现中间大、两头小近似V形,在整个侧环面上形成一圈磨损凹槽,凹槽中部磨损平均为22 mm,两侧磨损平均为15 mm,如图 2 a 所示。
刀盘本体外周边缘在纵向方向上磨损约为160 mm,从外周边缘到刀盘中心径向方向上磨损约为180 mm,以致在刀盘外周边缘形成一个近似三角形的磨损区,如图 2 b 所示。
刀盘辐板外圈上的16把周边刮刀及其安装基座损坏,14把切刀及先行刀损坏,如图2 c 、d 所示。
刀盘中心及辐板中部的刀具磨损量相对较小从整体上看,刀盘及刀具呈现外周及边缘侧板磨损大,中心及圆周中部磨损小的特点。
3.盾构机刀具材料使用方案从盾构机刀具磨损情况来看,由于刀具本体基本完好,大部分刀具磨损在容许范围内,剩余刀刃高度能够满足右线掘进任务,没有必要更换整个刀盘或者是全部刀具,只需要对磨损的刀盘本体和刀具进行焊接修复和更换,即可保证盾构机正常进行下阶段的掘进施工。
盾构刀具材料修复的原则是保证修复后的刀具本体性能不低于原设计制造的水平,保证更换的刀具与出厂配备的刀具性能相匹配。
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盾构机刀具材料
北京固本科技有限公司胡建平
机械化盾构机的掘削机构,具有开挖地层、稳定开挖面、搅拌渣土等功能,并承受大扭矩、大推力和冲击载荷的作用,其工作状况非常恶劣。
盾构机刀具磨损主要原因为隧道穿越的地层主要为粘土沙，其中夹杂中粗砂、砾砂、卵石，砂性土摩擦阻力大，渗透性强，在盾构的推进挤压下水分很快排出，土体强度提高，故不仅盾构推进摩擦阻力大，而且开挖面土压力也较大，对刀具的磨损会比较严重。
再者外缘刮刀基体耐磨性不够，磨损后造成硬质合金脱落，从而使刀具承受直接磨损，另外绞龙的耐磨性对刀盘和轴承止水密封面的磨损有间接影响。
转场后将要面临更为严峻的地质构造。
本次修复需要综合考虑以上问题，制定合理的堆焊修复盾构机刀具材料，恢复刀具原有外型尺寸，有效减少非正常磨损，保证后续正常的施工质量和进度。
1.盾构机刀具磨损情况
盾构机到达重工街站后,立即对盾构机及刀盘进行清理、检查,发现盾构机刀盘外周磨损非常严重。
盾构刀盘本体外缘侧板磨损在纵向方向上呈现中间大、两头小近似V形,在整个侧环面上形成一圈磨损凹槽,凹槽中部磨损平均为22 mm,两侧磨损平均为15 mm,如图 2 a 所示。
刀盘本体外周边缘在纵向方向上磨损约为160 mm,从外周边缘到刀盘中心径向方向上磨损约为180 mm,以致在刀盘外周边缘形成一个近似三角形的磨损区,如图 2 b 所示。
刀盘辐板外圈上的16把周边刮刀及其安装基座损坏,14把切刀及先行刀损坏,如图2 c 、d 所示。
刀盘中心及辐板中部的刀具磨损量相对较小从整体上看,刀盘及刀具呈现外周及边缘侧板磨损大,中心及圆周中部磨损小的特点。
3.盾构机刀具材料使用方案
从盾构机刀具磨损情况来看,由于刀具本体基本完好,大部分刀具磨损在容许范围内,剩余刀刃高度能够满足右线掘进任务,没有必要更换整个刀盘或者是全部刀具,只需要对磨损的刀盘本体和刀具进行焊接修复和更换,即可保证盾构机正常进行下阶段的掘进施工。
盾构刀具材料修复的原则是保证修复后的刀具本体性能不低于原设计制造的水平,保证更换的刀具与出厂配备的刀具性能相匹配。
为此,在深入分析和研究之后,决定采用北京固本耐磨焊丝（焊丝样品图3）堆焊修复具体盾构刀具材料修复方案：
1 对盾构刀具本体外缘侧板环面,采用埋弧堆焊的方式,首先填平一圈凹槽,然后堆焊整个侧板环面,在环面上形成一圈耐磨层,使得刀具本体直径恢复到出厂时的6240 mm。
2 刀具外周边缘的倒角磨损采用加焊一圈耐磨钢板的方式对其进行恢复补强。
钢圈外径为6240 mm,内径5920 mm,厚度30 mm。
钢圈面与刀盘本体面平齐,钢圈与刀具本体焊接采用二氧化碳保护焊,用埋弧堆焊把钢圈与刀具面板之间的缝隙和钢圈与刀具外缘侧板环面之间的凹槽填平。
钢圈表面采用二氧化碳保护焊堆焊栅格状的耐磨堆焊层。
【图3】
3.盾构机刀具材料耐磨焊丝参数：
焊丝直径 1.6mm
焊接电流240-280A
焊接电压26-31V
保护气体纯二氧化碳
熔敷金属化学成分：
碳C 锰Mn 硅Si 铌Nb 钨V 其他
1% 1.2% 0.8% 7% 5% 3%
4、结束语
本次修复采用北京固本耐磨焊丝，制定合理的堆焊盾构机刀具材料修复工艺，恢复盾构机原有外型尺寸，有效减少非正常磨损，保证后续正常的施工质量和进度。
需要指出的是采用北京固本耐磨焊丝特点：产品焊接在盾构机刀盘上可形成硬度HRC64的耐磨层，延长截齿工作寿命提高工作效率。
投稿日期：2011年10月22日。