盾构刀具磨损分析

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2、盾构刀具类型及切削机理
• 对于不同地层的开挖，盾构的刀具通常 采用不同型式：开挖地层为硬岩时，采 用盘形滚刀；地层为较软岩石时，采用 齿刀；地层为软土或破碎软岩时，可采 用切刀(或刮刀)。 洪积土
(砂质土) (10<N<25)
标准贯入锤击数
卵石层(N>40)
砂砾卵石 (10<N<40)
冲击粘土 (0<N<10)
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• （4）仿形刀 • 盾构施工时，可以根据超挖多少和超挖范 围的要求，从辐条两端径向伸出和缩回仿 形刀，达到仿形切削的目的。仿形刀伸出 最大值一般在80～130mm之间。盾构机在 曲线段推进、转弯或纠偏时，通过仿形超 挖切削土体创造所需空间，保证盾构机在 超挖少、对周边土体干扰小的条件下，实 现曲线推进和顺利转弯及纠偏。
7.5-12.5
1.37-5.17 5.17-8.6
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3.3 刀具磨损检测方法——掘进参数法
• 掘进过程中总推力、总扭矩与掘进速度之间的 关系，计算如下式所示
v v Tt T0 T1 Wt T2 n n
W0 T2 T1
Tt 为总扭矩， 式中： Wt 为总推力，ν 为掘进速 T0 T1 T2 度，n 为刀盘转速， W0为阻力，、、为待求 T1 、 T2 ,代入式得 参数。采用回归方法求出 T0 、 到： 2
盾构机刀具磨损状况系统研究
指导老师： 答辩人： 专业：
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主要内容
• • • • • • 研究背景 盾构刀具类型及切削机理 刀具磨损分析 刀具的布局及配置 LabVIEW分析刀具布局及寿命 结论与展望
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1、研究背景
伴随着我国城市化进程的加快，城市建设 快速发展，城市规模不断加大，城市交通呈 急剧增长的态势，21世纪将是中国城市轨道 交通的新纪元，经济发展将会伴随更大的都 市化，地铁交通的建设将促使城市的发展， 甚至成为一个急迫的任务。 盾构机在隧道施工中，通过刀盘刀具对前 方土体进行切削，刀具与土体的适应程度至 关重要。刀盘刀具于前方土体不适应，将使 盾构掘进非常缓慢甚至寸步难行，直接影响 到盾构机的工作效率、工程进展及工程的经 济效益。
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（6）齿刀 在岩石较软的情况下掘进时，由于盘形 滚刀与岩石掌子面之间不能产生一定的 附着力，因此应将部分盘形滚刀更换成 齿刀，利用齿刀进行破岩。由于齿刀上 装有2个切削刃，因此刀盘正反转时齿 刀都能进行破岩。
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• （7）滚刀 • 滚刀按照刃的数量不同可分为单刃滚刀、 双刃滚刀和三刃滚刀，常用于各类软、 硬岩石及砂卵石地层的隧道开挖。
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• （2）超前刀（或先行刀） 顾名思义，即为先行切削土体的刀具，。超前刀 在设计中主要考虑与切削刀组合协同工作。超前 刀断面一般比切削刀断面小。采用超前刀，一般 可显著增加切削土体的流动性，大大降低切削刀 的扭矩，提高刀具切削效率，减少切削刀的磨耗。
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• （3）鱼尾刀 采用大刀盘全断面切削土 体，布置在刀盘不同位置 的切削刀，从刀盘外周至 中心，运动圆周逐渐减小， 土体流动状态也是越来越 差。而且中心支撑部位(直 径约1.5 m)不能布置切削 刀，为改善中心部位土体 的切削和搅拌效果，可考 虑在中心部位设计一把尺 寸较大的鱼尾刀。
c b1 ( N 0 N * )
0
1 1 d 3 c b1 2 2
最小螺线间距为 mn b1 由上式得到常系数 2 24
5、软件分析刀具布局及寿命
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6、结论与展望
★ 盾构刀具研究是一个涉及岩土、机械、 材料、化学等多个专业的交叉课题。 ★ 实际上影响刀具磨损系数的因素是多方 面的，所以计算刀具寿命的方法只是理 想上的寿命，但是在实际施工中要多方 面考虑。 ★ 对单一类型刀具的研究，取得了很多的 成果，但是盾构机施工中会遇到多种复 杂地质，刀盘上配备的刀具不是一种。
K——磨耗系数(mm/km)；
D——盾构刀盘外径(m)； N——刀盘的转动速度(r/min)； L——掘进距离(m)； V——掘进速度(cm/min)。
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磨耗系数 10 m m/ km
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粘土 土压 平衡 式盾 构机 4-15 2-7.5
砂 15-25
砂砾
刀头材 质 E-5 E-3 E-2
25-45 12.5-22.5 8.6-15.5
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• （5）盘圈贝型刀 • 盘圈贝型刀实质上是超前刀，盾构机穿 越砂卵石地层，特别是大粒径砂卵石地层 时，若采用滚刀型刀具，因土体属松散体， 在滚刀掘进挤压下会产生较大变形，大大 降低滚刀的切削效果，有时甚至丧失切削 破碎能力。采用盘圈贝型刀，将其布置在 刀盘盘圈前端面，专用于切削砂卵石。采 用盘圈贝型刀可较好地解决盾构机切削土 体的难题。
(Tt T 0) v n (T 1Wt T2 ) 2
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3.4 减少刀具磨损的措施
3.4.1 换刀条件： 1）达到磨损极限： 2）刀圈断裂、平刀圈、刀体漏油、 刀 圈剥落、挡圈断裂或脱落、刀轴或 刀体损伤 3）相邻刀具的磨损量之差大于15mm时
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3.பைடு நூலகம்.2 减少刀具磨损的措施
• (1)改善刀盘与刀体的耐磨性 • (2)施工工艺措施 ： ①选择合适的添加剂改良材料 ； ②适当调整掘进速度及转速等； ③合理的交替使用刀盘正、反转 ； ④自立性好的地段采用适当的减压施工措施； ⑤采用长、短刀(主、副刀)具并用法切削土体； ⑥选择恰当的盾构刀具几何参数，恰当的刀具 布置方式
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• • • • • •
d1 / mm 盾构机外径 刀盘切削外径 d 2 / mm 内圈辐条数目 mn d3 / mm 中心刀长度 主切削刀头宽度 b1 / m m 刮刀刀头宽度 b2 / mm
主切削刀的数量
1 ( d 2 d 3 ) b2 N* 2 b1
0 对上式取整后得到 N 主 切削刀与中心刀重叠 量为
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刮刀
先行刀
盘圈贝型刀
周边刮刀
齿刀
齿刀
滚刀
周边刮刀
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正面区刮刀
边缘刮刀
双刃齿刀
双刃滚刀 单刃齿刀 超挖刀
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2.1 各种刀具介绍
• （1）刮刀 刮刀用来切削各种砂土、粘土等较松散的 地层及全风化岩层等其它未固结的土体， 刮刀上装有碳化钨刀刃，目的是为了更好 的防止掘进过程中产生的磨损。边缘刮刀 则用来校准盾构的开挖直径。
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2.2 滚刀受力分析
对于在砂卵石地层 掘进时，由滚动受 力示意图可以看出， 阻止滚刀转动的力 矩主要由三部分组 成，土仓内渣土的 摩擦阻力力矩，刀 箱内渣土的阻力力 矩和滚刀的启动力 矩(大小为30～ 50N· m)。 T T
阻
土仓
T刀箱 T启动
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2.3 滚刀破岩过程
•a
挤压/起裂过程
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4 、刀具的布局及配置
• 4.1阿基米德螺线布置
刀具在刀盘上的布置方式主要有阿基米德螺线 布置法和同心圆布置法，但目前采用较多的是 阿基米德螺线布置法。 0 阿基米德螺旋线极坐标的描述为： 式中，ρ——极轴（mm） 0 ——极轴初始值(mm) α——常系数 θ——极角（°） 螺距： 2
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• 由于刀具是易损件，消耗量大，如果只 是依靠进口刀具不仅供货期长，而且成 本高，所以使用国产刀具势在必行。 • 在掌握盾构刀具切削机理和深刻认识刀 具磨损相关因素的基础上，针对不同的 施工地质进行刀盘刀具的选择、刀具的 布置等盾构掘进设备最关键、最核心的 问题，进而实现盾构机的国产化就显得 尤为必要。
•b
破碎阶段
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3、刀具磨损分析
3.1 滚刀的磨损形式
• 盾构施工中，滚刀的磨损分 为两大类：正常磨损和非正 常磨损。
刀圈移位
正常磨损
刀圈偏磨
刀圈断裂
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3.2 刀具寿命计算
• 通常盾构刀盘外圈刀具的磨损量δ由下式计 算： 1 K D N L /V 10
式中，
δ——磨损量(mm)；