严国浩--浅谈常用的盾构刀具材料及发展趋势论文.doc

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1、摘要在施工中，所谓的盾构法就是使用盾构在地面以下开挖隧道的一种方法。随着时间的推移，到了上世纪末，伴随着我国的城市在地下空间的开发和利用率的提高与城市化进程的加快，盾构法作为一种既可以提高施工质量，又可以保护环境的施工方式，得到了政府和施工企业的大力推广和重视，所以，他们渐渐地开始大量的应用与引进这种先进的施工设备与技术。作为对盾构掘进效率和盾构掘进速度有着重要影响的盾构刀具，对于它的质量和选择就尤为重要。在国内，目前我们的盾构使用的刀具绝大部分依靠进口，这是因为第一，盾构在国内而言，是一种新型的设备，没有使刀具的研究人员和制造厂商所重视；第二，国内现有的一些道具不能够满足使用的要求。此文就主

2、要对盾构刀具进行详细的介绍，希望能引起我国一些研究人员和有能力的刀具制造厂商的关注，使盾构刀具的国产化进一步加快。关键词：盾构；刀具；材料；发展趋势AbstractIn construction, a method of shield method is called using the shield excavation tunnel in the below ground. With the passage of time, to the end of the last century, with the development of underground space in our ci

3、ty and improve utilization rate of city and urbanization, the shield as a can improve the construction quality, construction methods and can Protect environment, the government and the construction enterprise promotion and attention, so, they gradually began with the introduction of a large number o

4、f applications of this advanced construction equipment and technology. As for shield tunneling efficiency and shield tunneling rate has important influence of shield cutter, is particularly important for its quality and choice. In China, the tool currently using our shield, the vast majority rely on

5、 imports, this is because the first, shield in the domestic, is a kind of new equipment, not the tool for researchers and manufacturers attention; second, some of the props of domestic existing can not meet the use requirements. This paper is mainly on the shield cutters are introduced in detail, th

6、e hope can cause some Chinese researchers and the ability of the tool manufacturers attention, so that the shield cutter localization to further accelerate.Keywords: shield; tool material; development trend目录摘要1引言1第一章 盾构刀具使用环境2第二章 盾构刀具的分类和配置4第三章 常用的盾构刀具材料6第四章 盾构刀具材料未来的发展趋势74.1 优化刀具材料化学成分74.2 改进热处理工艺

7、充分挖掘材料潜力94.3 刀体材质的选用94.4 焊缝间隙的研究分析94.5 钎焊及热处理工艺研究104.6 抗冲击、耐磨、无裂纹的硬质合金刀头研制104.7 耐磨材料加强保护刀具基体11结论12参考文献13致谢14引言随着世界各国，尤其是发展中国家城市化进程的不断加快，地下空间开发利用的前景非常广阔。 近年来，我国城市轨道交通建设也步入了快速发展的时期，目前全国约有 30 个城市获批修建地铁工程。在非开挖技术飞速发展的背景下，盾构法以其对周边环境影响小、安全环保、推进速度快、质量优等特点在城市地铁工程建设中发挥了非常重要的作用，因而国内外对盾构机的需求也日益加大。盾构由刀盘旋转靠刀具切割岩土

8、体并由油缸向前推进，这要就可以使隧道掘进实现连续的机械化。但是，就我国复杂的地质而言，在盾构掘进过程中会碰到例如砂性及粉细砂、软塑粘土或砂卵石等较为复杂的地层结构，在对土体的旋转切削时，在隧道的挖掘过程中会有各异的，复杂的各种相互作用，对于土体条件不同的情况，因为刀具的切削原理和切削型式不同，存在着土体与不同的刀具和刀盘相互适应的问题，这些都会对盾构掘进速率，刀具的磨损，刀具的更换等产生较大的影响。目前，我国虽然已经能够自主研发地铁盾构设备，但还处于起步的合作阶段，盾构机及零配件还主要依赖进口。 由于国外盾构机（如德国海瑞克、维尔特，法国FCB，日本三菱重工、日立和小松）的不断引进，以及国产盾

9、构机企业（如中铁装备公司、中铁轨道系统集团、无锡盾建重工、天业通联等）的不断发展，使得各种型式的盾构刀具需求量不断增加。 在盾构隧道施工中，盾构刀具的更换费用占了总施工费用的近 1/4。 因此，本文对常用的盾构刀具材料及发展趋势展开研究无疑具有重要的意义。第一章 盾构刀具使用环境第一，我国疆土辽阔 ，东西跨经度 60 以上 ，距离约5 000 km，南北跨纬度近 50 ，距离约 5 500 km，地理形势复杂多变，地质结构硬度差异很大，难以预料分析，因此在盾构刀具的选择上存在相当大的难度。当前我国地铁建设比较集中的城市主要有：上海、北京、广州、深圳、成都、南京、沈阳、郑州等。 如上海地质主要以

10、淤泥、黏土和粉质黏土为主，相对来说对盾构刀具的抗冲击性能和破岩能力的要求要低一些，普通的盾构刀具即能达到要求；南京地质以雨花石居多，成都地质以富水砂卵石为主，普通材质和工艺生产的盾构刀具就难以达到使用要求。第二，由于采用非开挖技术，施工过程中要求盾构机各部位的功能必须确保万无一失，这就对盾构刀具的质量提出了更高的要求。第三，地层盾构施工，只要是出现了正常磨损的条件下，没有达到预定挖掘距离(如一个施工区间段)或是出现盾构刀具的早期破坏，它是在施工过程中非常难以对付的问题。要是在无建筑的开阔地带下开凿隧道，大多会开挖检修竖井的方法，来对刀具进行更换或修理。一旦隧道在城市的密集建筑地带，如果要对刀具

11、进行修复或更换，就必须采用从盾构机内部通道进入开挖面的办法。该刀具的维修和更换在施工过程中进行是存在这较大的安全风险，如果处理不好，可能危及到整个项目。这就是北京的砂砾地质条件下地铁施工盾构说面临的一个重大问题。所以，对于今后开发可靠性强、使用寿命长、质量优的盾构刀具技术是至关重要的。冲击、磨损和一定程度腐蚀的恶劣环境，是盾构刀具长期工作的环境，尤其是在含有比较多的砂石地段进行作业，对于刀具的磨损就更加的严重，致使使用寿命大打折扣，对于盾构施工的施工成本和施工效率最直接的影响就是刀具使用寿命的长短，所以，怎样的把新的技术用到提高盾构刀具的抗冲击、抗磨损、耐腐蚀的性能上，从而使成本降低，就成为了

12、我国盾构施工中现有的最为急迫要解决的问题之一。作为盾构刀具的刀刃，都是由烧结硬质合金组成，它耐磨性好，硬度高，可是冲击韧性较低，所以既要保证刀刃的硬度，又要在此基础之上提高刀刃的韧性，这就成为了使刀具使用寿命提高的一个重要方面。而刀体材料一般采用中低碳钢，其韧性好，强度高，但耐磨性较差，硬度较低，可是因为刀刃是钎焊在刀体上的，过度磨损刀体，会使刀刃脱落，所以，对于刀体容易受到磨损的部位，要大大的提高其耐磨性，这是使刀具使用寿命提高的另一个重要方面。因为零部件的腐蚀和磨损都是从表面开始的，而后逐步由外向内发展，所以，利用一定的表面处理方法，对刀体和刀刃作表面的处理改性，就可以使刀体的耐腐蚀性和耐

13、磨性提高，使刀刃的冲击韧性加强，这是最有效，最经济的一种方法。第四，在盾构机推进力作用下刀具对开挖面土体产生一定压力。伴随着旋转的刀盘，土砂磨料与刀具之间产生摩擦，造成磨损。道具的材质，当地地质条件和刀具在刀盘上的安装位置都会影响到道具的磨损，在刀具掘削里程的增加过程中这种磨损也相应地增加。刀盘周边放置的刀具，因其切削路线长，线速度大，所以其，易磨损，易折断。刀具的脱落和磨耗是刀具破坏的主要形式。刀具的硬度，材质，其上的推力以及地质条件和切入速度，深度，时间等都是影响刀具磨耗的因素；安装位置制约了刀具的脱落。 在掘进中，盾构机会遇到各种不同地层，会尽力淤泥、砂层、砂卵石层到软岩及硬岩等多种情况

14、。所以在开挖的过程中刀具的受力是十分复杂的，它的工作环境也十分恶劣。所以说刀具的磨损和施工地层的结构密不可分。粉质黏土、淤泥质黏土等这些都刀具的磨损都比较小，但是砂卵石砾石、砂土等都是对刀具磨损较大的地层，甚至使刀具折断。这种情况在已经施工的工程中得到了印证。第二章 盾构刀具的分类和配置AVN2440DS盾构机是我们讨论的重点，它是6个双滚刀、4组刮刀、7个单滚刀和5个中心滚刀所构成。盘形滚刀：在刀盘旋转和盾构机推动力的作用下，刀具会在掘进面的岩体上转动挤压，在岩石的表面挤切处一个槽，并由于剪切力的存在使岩石开裂破碎。刮刀：它的适用范围是那些软土和一些交替夹有软岩的地质，在掘进面通过对土体铲切

15、的方法实现切削的一种方式，软岩层和土层用刮刀切削更为容易。盾构刀具可根据运动方式、布置位置和几何形状等进行分类。按切削原理划分，一般分为切削刀、滚刀及辅助刀具等。切削刀又分为齿刀、切刀（或刮刀）和先行刀等，图 1 为部分刀具的照片。盾构开挖性能主要通过刀具的选择和布置来保专证。在实际的工作中，不同的刀具组合及其不同类型的刀具，适用于不同的地质情况，这样能大大的提高开挖效率。若是在对硬岩地层开挖，常采用盘形滚刀；若是在对较软岩石开挖，常采用齿刀；若破碎软岩或软土，则常采用刮刀或切刀。图1 部分道具的图片图 2 是成都地铁 1 号线，在其施工中所使用的海瑞克土压平衡盾构刀盘（图片），详细技术参数如

16、下：刀盘开口率 25 26；盘形式为面板式；刀具布置为 8 把周边刮刀+28 把宽刮刀+32 把单刃滚刀+4 把中心双刃滚刀。盘形式为面板式； 这一标段的地下隧道主要通过的地层为砂卵石土层。图2 海瑞克土压平衡盾构刀盘及其刀具布置照片第三章 常用的盾构刀具材料硬质合金材料、刀具刃曰堆焊材料和基体(刀体)材料是盾构刀具材料的几大部分。作为滚刀的工作部位刀圈材料，其大多是热作模具钢（碳含量约为0.5%，还包括Mo、 V、Cr、Si等合金元素）。德国海瑞克公司所生产的盾构周边刀的刀体钢号为St52- 3，与我国国产的低碳钢Q235性能相近，这种材料硬度较低但是韧性好。磨粒磨损所带来的高应力主要由刃口

17、承担，球齿材料是硬质合金，主要用于承受卵石、砂砾磨粒磨损与冲击。齿刀由刀体、端部硬质合金刀片和背部球齿构成。表1为用于盾构刀具硬质合金的力学性能和化学成分; 表2为一种用于盾构刀具刃曰的铁基堆焊材料的力学性能和化学成分。表1 用于盾构刀具的硬质合金的化学成分和力学性能力学性能化学成分 （/%）HRA硬度抗弯强度/MPaWCoC881 600838771756表2 铁基刀具刃口堆焊材料的化学成分和力学性能（%）CCrNiSiMnMoFe5101310.52少量硬质合金作为盾构切削刀具的材料，它的制作通常采用粉末冶金法。然后再用镶铸、焊接法或钎焊法把与基体(刀体) 与硬质合金刀片结合起来。一般会使

18、用锻造的方法制作滚刀的刀圈，这样能够提高韧性。美国ROBBINS、德国海瑞克和WIRTH都是世界上一些盾构刀具制造技术较为成熟的企业，可是他们都对生产盾构刀具的做法采取严格的保密措施，在国内对于盾构刀具的试制及研究还有待提高。第四章 盾构刀具材料未来的发展趋势4.1 优化刀具材料化学成分影响盾构刀具耐磨性能最主要的内在因素为刀具材料的化学成分，综合考虑刀具的强度、韧性、工件几何形状、耐腐蚀性、地质条件等因素，通过刀具材料含碳量的控制，在钢中加入铬、钼、钒、硅等第二相形成元素，有意增加沉淀析出相的数量，形成细而分散的共格、半共格硬质点，从而在一定程度上提高耐磨性。这种材料是含有碳化物相的多相材料

19、，通过调整各元素的含量，控制各碳化物的含量、形态和分布情况，从而有效提高金属材料的耐磨性能。各相关合金碳化物的硬度和晶体结构见表 3所示。表3 各相关合金碳化物的硬度和晶体结构表碳化物类型硬度 HV晶体结构Fe3C1 150 1 250斜方Cr3C21 300斜方Mo2C1 800 2 200六方W2C2 800 3 000六方MoC2 250六方WC2 400 2 700六方VC2 500 2 900立方TiC3 200立方M3C1 150 1 770斜方M7C31 800 2 800六方M23C61 600 1 800立方M2C1 800 3 000六方M6C1 600 2 300立方M3

20、C 型主要是富铁的渗碳体型碳化物，我们选用的材料中含有铬、钼等，通常会形成含有少量这些元素的合金渗碳体。M7C3 型碳化物主要是 Cr7C3 型，M7C3 型碳化物的热稳定性较好，在奥氏体化温度较高时才开始溶解。M23C6 型是富铬的 Cr23C6 型立方系碳化物，能够溶解大量的铁。M2C 型相当于Mo2C或 W2C，这种类型的碳化物只是在淬火后接近二次硬化峰回火时产生，进一步提高回火温度则转变为 M6C型或 M23C6 型碳化物。同时，加强钢铁冶炼时的精炼，提高钢材的纯净度和均质性，减少夹杂物的含量，努力降低钢中硫化物、氧化物、硅酸盐等夹杂物对耐磨性的负面影响。4.2 改进热处理工艺充分挖掘

21、材料潜力改变了传统的淬回火工艺，将以前的马氏体 + 残余奥氏体型组织调整为下贝氏体组织，有效提高了盾构刀具的耐磨性能。在硬度相同的情况下，等温转变的下贝氏体比回火马氏体的耐磨性好得多，因为贝氏体组织比相同成分的马氏体含有更多的残留奥氏体，这种钢中的残留奥氏体有助于改善耐磨性，而且贝氏体组织中的内应力一般都低于马氏体组织的内应力。同时，贝氏体中的铁素体固熔碳含量较高，板条也比较细小，组织中碳化物分布均匀，这也有利于贝氏体组织耐磨性的改善。4.3 刀体材质的选用初期国产盾构刀具刀体的材质多采用 Q235 和 35号钢。 这两种材料具有柔韧性高，刀体不易断裂的特点，但该材料硬度偏低。 35 号钢经热

22、处理增加硬度后柔韧性降低，脆性增加。 为此，我们进行了以 42CrMo、37CrNi3、40CrNiMo 等合金结构钢作为盾构刀具刀体材料的研究和试验。 由于此类钢材成分中添加了铬、镍、钼等元素后，提高了淬透性和耐磨性，经热处理后具有较高的疲劳极限和抗冲击的能力，故综合机械性能得到较大幅度提高。4.4 焊缝间隙的研究分析影响刀具钎焊焊缝强度和焊缝致密性的重要因素是焊缝间隙的大小，间隙过大，使焊缝的毛细管作用受到破坏，焊料不能够充满焊缝间隙；间隙过小，又阻碍了焊料流入；盾构刀具的钎焊方法是硬质合金与钢的异种材料焊接，因为硬质合金的线膨胀系数为钢的30%到50%，所以钎焊焊缝间隙就要比钢的焊接时稍

23、小。在对几组不同间隙焊缝的比试验的数据分析，得到了盾构刀具焊缝间隙通常要在0.20.3 mm最为合适。4.5 钎焊及热处理工艺研究1）钎焊是一种合金与刀体两种材质分子间的相互渗透的作用，钎焊质量的好坏直接影响合金刀头的抗剪切强度。 首先，盾构刀具合金刀头的焊接宜采用银钎气体无氧保护焊接工艺，其焊接温度约 650 ，同时焊后采取加压保温缓慢冷却的方法，这样焊接残余应力较小，减小产生焊接裂纹的趋势；其次，刀体合金槽和合金外表面焊前清洁处理同样关键，一般采用酸洗、精磨、麟花、化学液体浸蘸、干燥等工艺处理，保证焊接强度；再次，钎焊材料的选用也要适当，主要以 75 %银基焊料为主。2）热处理的目的主要是

24、提高刀体的耐磨性和综合机械性能。 为保证这两项性能指标，一般应对刀体采用淬火、回火处理工艺，硬度一般控制在 3540 HRC范围内为宜。 同时，为了提高合金刀头周围刀体的耐磨性，采用气体保护堆焊耐磨层的办法。4.6 抗冲击、耐磨、无裂纹的硬质合金刀头研制在硬质合金研究方面，笔者单位与春保森拉天时、济南冶金研究所合作对硬质合金进行了研究。 通过对国内外硬质合金刀头的解剖分析，发现国外硬质合金与国内合金的 3 项性能指标（磁力、密度、硬度）基本接近。在合金的显微结构上，也很难看出两者有很大的差距。 国外合金刀头的耐冲击性和耐磨性比较明显的优于国产合金刀头，主要是由于国产合金刀头原料纯度低，粉末成型

25、工艺落后造成的。通过对盾构刀具典型失效形式的研究和分析，我们提出了可以切实有效地提高盾构刀具性能的新技术刀具，使得刀具具有耐磨损、抗冲击的特性，并且在实际施工中取得了优异的成绩。 新型硬质合金刀头选用了优质原料，改进了成型工艺和合金制取工艺（高纯钨粉、高温还原、高温碳化、冷等静压、低压烧结、超粗颗粒）等数条技术措施，提高了盾构刀具硬质合金刀头的寿命。新型合金刀头具有高韧性、高耐磨性和高冲击性，完全可以与日本标准 E5 硬质合金刀头相媲美。 图3、4 为北京地铁施工中采用新技术的刀具与未采用新技术的刀具的使用情况对比，新刀的耐磨性和抗冲击性相比原有刀具都有明显的提升。图3 北京地铁施工刀具图4

26、北京城建玉渊潭公园施工刀具4.7 耐磨材料加强保护刀具基体有一部分盾构刀具的基体材料因为受到一些限制，本身无法达到很好的耐磨性能，结合盾构刀具施工的特点，选用不同材料对基体进行保护，使基体与整个刀具寿命一致。结论不同生产工艺和材质的刀具用于不同地质情况，如果在不同地质中采用同一种刀具，这会严重的影响到刀具的使用寿命。例如，在较软的地层中施工掘进，就要求刀具的硬度、抗磨性要比岩石的抗压强度高10 MPa15 MPa以上；而在硬岩的掘进中，刀具就要有优良的抗冲击性和耐磨性。热处理工艺和锻造作为刀具加工生产工艺，对刀具使用寿命有重要的影响，工艺的不完整性会直接威胁到金属材质的内部缺陷，如果刀具受到振

27、动、冲击、压力的作用，内部的缺陷将造成微小裂纹，这一危害还会不断地扩展和延伸，最终形成断裂。对生产工艺的严格控制，是提高刀具寿命的最好方法。刀具的密封也是对刀具使用寿命影响主要原因之一，因为早期对密封的破坏，使得刀圈偏磨、刀具轴承损坏、壳体损坏或是整个刀具总成的报废，对刀具正确的密封，是一种保证滚刀寿命的重要方法。总而言之，盾构机的施工作业，在国内还是初级的起步阶段，伴随着经济的不断发展，更多的穿越工程会选择盾构机形式，无论是怎样的盾构机施工，刀具的技术研究必定会成为盾构机应用关键技术。通过对盾构刀具的研究并实施技改措施而研制出的盾构刀具，应用于南京小松、广州海瑞克、北京华隧通、日立、三菱、石

28、川岛、维尔特等盾构机上取得了良好的效果，工程施工单位给予了极高的评价。研究结果表明：我国在盾构刀具的研究与制造技术水平方而又上了一个新的台阶，国产盾构刀具的综合质量性能完全达到了替代进口盾构刀具的水平，并在性价比上大幅度优于进口盾构刀具.国产盾构刀具已开始出口国外市场。参考文献1刘春光，刘晶，高伟贤.土压平衡盾构机刀具的布置J.凿岩机械气动工具.2011(01)2曾晓星，余海东，张凯之，王皓.盾构机复合岩土层掘进刀盘弯矩特性分析J.上海交通大学学报.2010(01)3刘春光，刘晶，高伟贤.土压平衡盾构机刀具布置原则解析J.矿山机械.2010(03)4王永喜.复合地层中盾构机刀具磨损原因分析及更

29、换案例J.科技信息.2010(05)5夏晓中.盾构刀具异常磨损及改进研究J.现代交通技术.2010(02)6陈闽杰，刘小波，贺石中.大型盾构机主轴承润滑故障诊断与对策J.润滑与密封.2010(05)7何小娥.盾构机的刀盘和刀具J.建设机械技术与管理.2010(05)8王梓晗.面板式盾构机刀盘修复技术在砂卵石地层施工中的应用J.中小企业管理与科技(下旬刊).2010(05)9曹振生，莫忠华，彭仕云.浅谈地铁盾构机试掘进施工J.科技创新导报.2010(13)致谢经过几个月的忙碌，本次论文已经接近尾声，但由于经验的匮乏，难免有许多不足之处，如果没有何老师的督促和指导，以及同班同学的支持，想要完成这个

30、论文是很困难的。首先我要感谢我的论文指导的合老师，如果没有他悉心的指导本次论文是很难完成的，老师平日里工作繁忙，还要指导我们的论文，但在我做论文的每个阶段，从查阅资料，论文开题报告的修改，中期检查，到后期写论文注意的各个问题等整个过程中都给予了我悉心的指导。她严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，她每项工作都做到前面，使我们有充足的时间来安排我们的论文写作计划。同时，她对我们的论文都是当面指导，细心解说，从而使我们一个一个的过关。其次要感谢和我一起做论文的所有同学，你们向我及时传达了老师的安排和计划，此外平时还帮助我整理一些资料，如果没有你们的帮助，我的毕业论文也不会这么顺利的完成。然后还要感谢所有的老师，为我们打下了专业基础知识，虽然这次论文修改了很多次，但是我还是学到了很多。