1、盾构刀具磨损分析盾构刀具磨损分析主要内容主要内容 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2020/12/121、研究背景、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
2、的经济效益。2020/12/13 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。2020/12/142、盾构刀具类型及切削机理、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)。卵石层卵石层(N40)(N40)砂砾卵石砂砾卵石(10N40
3、)(10N40)洪积土洪积土(砂质土砂质土)(10N25)冲击粘土冲击粘土(0N10)标准贯入锤击数标准贯入锤击数2020/12/15刮刀刮刀先行刀先行刀盘圈贝型刀盘圈贝型刀周边刮刀周边刮刀齿刀齿刀齿刀齿刀滚刀滚刀周边刮刀周边刮刀2020/12/16 双刃滚刀双刃滚刀 单刃齿刀单刃齿刀 双刃齿刀双刃齿刀 边缘刮刀边缘刮刀 超挖刀超挖刀 正面区刮刀正面区刮刀 2020/12/172.1 各种刀具介绍各种刀具介绍（1）刮刀）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。
4、2020/12/18（2）超前刀）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。2020/12/19（3）鱼尾刀）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。2020/12/110（4）仿形刀）仿形刀 盾构
5、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80130mm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。2020/12/111（5）盘圈贝型刀）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
6、好地解决盾构机切削土体的难题。2020/12/112（6）齿刀）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。2020/12/113（7）滚刀）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。2020/12/1142.2 滚刀受力分析滚刀受力分析 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
7、(大小为3050Nm)。启动刀箱土仓阻TTTT2020/12/1152.3 滚刀破岩过程滚刀破岩过程 b 破碎阶段破碎阶段 a 挤压挤压/起裂过程起裂过程 2020/12/1163.1 滚刀的磨损形式滚刀的磨损形式 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。正常磨损正常磨损刀圈移位刀圈移位刀圈断裂刀圈断裂刀圈偏磨刀圈偏磨3、刀具磨损分析、刀具磨损分析2020/12/1173.2 刀具寿命计算刀具寿命计算 通常盾构刀盘外圈刀具的磨损量由下式计算：VLNDK/101 式中，式中，磨损量磨损量(mm)；K磨耗系数磨耗系数(mm/km)；D盾构刀盘外径盾构刀盘外径(m)；N刀盘的转动速度
8、刀盘的转动速度(r/min)；L掘进距离掘进距离(m)；V掘进速度掘进速度(cm/min)。2020/12/118磨耗系数土压平衡式盾构机 粘土砂砂砾刀头材质4-1515-2525-45E-52-7.57.5-12.512.5-22.5E-31.37-5.17 5.17-8.68.6-15.5E-2kmmm/1032020/12/119 掘进过程中总推力、总扭矩与掘进速度之间的关系，计算如下式所示式中：为总扭矩，为总推力，为掘进速度，n 为刀盘转速，为阻力，、为待求参数。采用回归方法求出 、,代入式得到：120TTWnvTnvWTTTtt2102TtTtW0W0T1T0T1T2T22120)(
9、)(TWTTTnvtt3.3 刀具磨损检测方法刀具磨损检测方法掘进参数法掘进参数法 2020/12/1203.4 减少刀具磨损的措施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 2020/12/1213.4.2 减少刀具磨损的措施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：选择合适的添加剂改良材料；适当调整掘进速度及转速等；合理的交替使用刀盘正、反转；自立性好的地段采用适当的减压施工措施；采用长、短刀(主、副刀)具并用法切削土体；选择恰当的盾
10、构刀具几何参数，恰当的刀具 布置方式 2020/12/1224 、刀具的布局及配置、刀具的布局及配置 4.1阿基米德螺线布置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。阿基米德螺旋线极坐标的描述为：式中，极轴（mm）极轴初始值(mm)常系数 极角（）002螺距：2020/12/123 盾构机外径 刀盘切削外径 内圈辐条数目 中心刀长度 主切削刀头宽度 刮刀刀头宽度 主切削刀的数量 对上式取整后得到 主切削刀与中心刀重叠量为 最小螺线间距为 由上式得到常系数 mmd/11232*)(21bbddN0Nmmd/2nm)(*01NNbc1302121bcd1bmn2mmd/3mmb/1mmb/22020/12/1245、软件分析刀具布局及寿命2020/12/1252020/12/1262020/12/1276、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。2020/12/128
