劉春光，劉晶，高偉賢

（沈陽(yáng)重型機(jī)械集團(tuán)有限責(zé)任公司盾構(gòu)機(jī)分公司，遼寧沈陽(yáng)110000）

就任何形式的盾構(gòu)機(jī)來說，刀具的布置必須以均布為原則。因?yàn)榈侗P的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作要靠主軸承內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)，主軸承內(nèi)圈依靠布置在刀盤上的刀具壓在切削面上，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)掘進(jìn)。在盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)過程中，主軸承所承受的力主要有軸向力、徑向力和振動(dòng)沖擊力。在地質(zhì)的影響下，軸向力和振動(dòng)沖擊力具有不穩(wěn)定性，因此，刀具均布可以避免切削面傾斜、保證主軸承受力平衡，避免過大振動(dòng)沖擊，防止主軸承偏心或內(nèi)部結(jié)構(gòu)因受力不均而產(chǎn)生變形、磨損等故障，從而避免更加嚴(yán)重的破壞性失效致使整個(gè)盾構(gòu)機(jī)癱瘓。

1 刀具的選擇原則

國(guó)內(nèi)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)市場(chǎng)，挖掘直徑以6.28m的為主。為保證挖掘效率，刀具以滾刀和刮刀為主。滾刀如圖1所示，其內(nèi)部帶有軸承，刀具隨著刀盤的旋轉(zhuǎn)可以在切削面上滾動(dòng)，并依靠刀刃擠壓巖石或硬土達(dá)到破碎的目的。刮刀如圖2所示，固定在輻條兩側(cè)，依靠刀刃上的硬質(zhì)合金實(shí)現(xiàn)切削。一般滾刀高出刮刀20～35mm為宜，起到先一步壓碎巖石的作用，即在巖石或者硬土上劃出一道道裂隙。刮刀在其后可將碎裂的巖石刮下并帶至開口部位。

由于地質(zhì)構(gòu)造不同，許多土層的土質(zhì)與巖石或者硬土相比較，黏度較大，強(qiáng)度較低，此時(shí)使用滾刀，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)糊刀的現(xiàn)象。輕則導(dǎo)致滾刀無法滾動(dòng)，造成局部磨損過大；重則導(dǎo)致刀盤旋轉(zhuǎn)困難或糊死，損壞主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。另外，附加的清理維修會(huì)延誤工期，大大降低挖掘效率[1]。因此，對(duì)于開挖黏性較大的地質(zhì)，往往采用撕裂刀代替滾刀。撕裂刀一般由4根立齒組成，以撕裂刀的切削力代替滾刀的壓迫力實(shí)現(xiàn)破碎，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本相對(duì)滾刀低。撕裂刀裝在滾刀刀座上，這樣，在混合地質(zhì)中可以方便地在同一個(gè)刀座上實(shí)現(xiàn)2種刀具的互換。

圖1 滾刀

圖2 刮刀

在設(shè)計(jì)刀具高度時(shí)應(yīng)該考慮刀具高出刀盤面的尺寸，適度增大可以防止糊刀或泥餅的形成。但刀具高度過大會(huì)加大相應(yīng)的力矩，有斷刀的危險(xiǎn)。總之，為保證主軸承的穩(wěn)定及挖掘效率，每種刀具必須按照各自的軌跡均勻布置在整個(gè)挖掘面上[2]。

2 刀具的布置原則

刀具的布置如圖3所示，結(jié)構(gòu)見圖4。刀具布置不但要考慮刀具的種類，而且還要考慮整個(gè)刀盤面不同半徑的運(yùn)動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)特性。因?yàn)槎軜?gòu)機(jī)的挖掘直徑很大，不同的挖掘直徑，由于其不同的線速度、空間結(jié)構(gòu)及其與開挖物料之間的作用，使得挖掘效果不同。

圖3 刀具的布置

圖4 刀具的結(jié)構(gòu)

刀盤正常工作轉(zhuǎn)速為0.9～1.2r/min，刀盤表面越靠近刀盤中心的位置線速度越低，中心處基本為零。在物料流動(dòng)性較差的環(huán)境下，為避免開挖黏性物料時(shí)發(fā)生堵塞，刀盤中部開口率要大，同時(shí)避免開挖物料從刀盤表面中央至結(jié)構(gòu)開口之間通過的距離過大而增加磨損。刀盤中心的幾何尺寸是非常小的，因此刀盤中心只設(shè)置單排中心滾刀，間距控制在84mm左右為宜。若用撕裂刀代替滾刀，則設(shè)置中心撕裂刀或者燕尾刀，燕尾刀通常設(shè)計(jì)為突出刀盤面一定尺寸，在挖掘軟土層時(shí)，可有效地防止糊刀。

刀盤表面半徑方向上的滾刀分布以100 mm左右的軌跡間距為原則，平均分配各滾刀在輻條上的位置。若開挖物料的黏性大，硬度低，可適當(dāng)增大軌跡間距；若開挖物料的黏性小，硬度高，可適當(dāng)減小軌跡間距。刀盤表面周邊上的線速度最大，空間結(jié)構(gòu)最富裕，運(yùn)動(dòng)也最不穩(wěn)定，滾刀分布應(yīng)相對(duì)密集，以提高挖掘效率，并確保主軸承的穩(wěn)定性。因此，一般在各幅板上加設(shè)滾刀，以軌跡間距隨半徑增大而遞減為原則，平均分配各滾刀在輻條和輻板上的位置。圖5所示為滾刀（撕裂刀）的軌跡圖。

圖5 滾刀（撕裂刀）的布置及軌跡

2.1 刮刀的布置

2.1.1 刮刀的數(shù)量

對(duì)于滾刀，每條軌跡只分配一把刀，即可實(shí)現(xiàn)其破土的功效。刮刀必須使用標(biāo)準(zhǔn)刮刀，刀刃寬120mm，為提高挖掘效率，每條軌跡可布置多把刀。當(dāng)然，刀具過少會(huì)直接影響挖掘的效率及主軸承的穩(wěn)定性。但刀具的數(shù)量并不是衡量挖掘效果的重要指標(biāo)，過多的刀具會(huì)加大主軸承的負(fù)擔(dān)，也會(huì)增大糊刀的可能性。

2.1.2 刮刀的軌跡

在布置刮刀的時(shí)候要注意它與滾刀的功能是不同的，滾刀起到先導(dǎo)的作用，而布置在開口處的刮刀起到的是全面清除的作用。所以，單把刮刀的切削軌跡應(yīng)該是一個(gè)環(huán)面，所有刮刀的切削軌跡必須覆蓋整個(gè)開挖面。

刮刀的具體布置較為簡(jiǎn)單。在刀盤的中心部位，布置在單邊輻條上或者由燕尾刀代替其功能，每條軌跡布置一把刀即可。此處刮刀的并排布置，保證了軌跡的緊密聯(lián)接。對(duì)于刮刀在刀盤半徑方向上的布置，每條軌跡上應(yīng)布置輻條數(shù)量一半的刮刀。即：若有6根輻條，則每條軌跡布置3把刮刀；若有8根輻條，則每條軌跡布置4把刮刀。這樣能夠保證開挖物料在刮刀的作用下順利通過刀盤開口進(jìn)入開挖倉(cāng)，既不會(huì)給主軸承帶來過大的負(fù)擔(dān)，也能夠保證挖掘效率。由于刮刀有一定寬度，所以刮刀的軌跡具有相同的寬度。此處刮刀沒有并排布置，要求相鄰的刮刀軌跡之間必須有重疊量，以保證軌跡覆蓋的全面性。另外，在刀盤的周邊布置周邊刮刀，應(yīng)分配在每根輻條上。此處較寬的范圍內(nèi)只有一條軌跡，且該軌跡上有和輻條同等數(shù)量的刮刀，能夠適應(yīng)刀盤周邊相對(duì)復(fù)雜的挖掘環(huán)境，穩(wěn)定主軸承，保證挖掘效率。

2.1.3 裝配角度

從刀具結(jié)構(gòu)上來說，滾刀和撕裂刀的刀刃是一個(gè)點(diǎn)，切削軌跡為一個(gè)圓環(huán)，因此，刀具布置在切削方向與旋轉(zhuǎn)半徑相切的位置即可。而刮刀的刀刃是一條線，切削軌跡為一個(gè)圓環(huán)面。因此，為了使刀刃面的切削方向盡量與旋轉(zhuǎn)半徑相切，需要注意刮刀在輻條上的裝配角度，如圖6所示。以典型的開挖直徑為6.28m的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)為例：1200mm半徑以下刮刀角度為25°，1200～1600 mm半徑內(nèi)刮刀角度為20°，1600～2000 mm半徑內(nèi)刮刀角度為15°，2000～2400 mm半徑內(nèi)刮刀角度為10°，2400mm半徑以上刮刀角度為5°。

圖6 刮刀的裝配角度

2.1.4 刮刀的雙向性布置

對(duì)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，刀盤的旋轉(zhuǎn)多設(shè)計(jì)為雙向的。而刮刀因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，整個(gè)刀刃面對(duì)一個(gè)切削方向，只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向的切削，因此需要在輻條兩側(cè)布置對(duì)稱的刮刀。于是，整個(gè)刀盤布置的雛形基本形成。

2.2 其他刀具的布置

為了穩(wěn)定刀盤的開挖直徑，在刀盤的圓周外壁，均勻布置一種輔助刀具，即周邊保護(hù)刀。周邊保護(hù)刀具有配合周邊刮刀、規(guī)范開挖直徑的作用。

在實(shí)際工程中，由于各種條件的限制，往往不能規(guī)劃出筆直的隧道路線，因此，隧道的施工必須考慮到盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎的需要。而盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎的時(shí)候需要轉(zhuǎn)彎半徑處有一定的自由空間，于是，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤上至少都會(huì)配備一把擴(kuò)挖刀。擴(kuò)挖刀在刀盤最大半徑處，由獨(dú)立的液壓缸驅(qū)動(dòng)，可以自由伸縮。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入轉(zhuǎn)彎階段，刀盤旋轉(zhuǎn)使擴(kuò)挖刀轉(zhuǎn)至需要擴(kuò)挖的半徑處，適時(shí)增加擴(kuò)挖半徑，創(chuàng)造可使盾構(gòu)機(jī)偏轉(zhuǎn)的空間。若地質(zhì)條件適宜，擴(kuò)挖刀也可以為臨時(shí)換刀擴(kuò)挖一定的空間，提供給操作者適宜的工作空間。

3 結(jié)論

以上設(shè)計(jì)思路已應(yīng)用到土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀具布置的設(shè)計(jì)當(dāng)中。經(jīng)過多年的實(shí)際檢驗(yàn)，對(duì)于不同開挖直徑的刀盤，也可以依據(jù)以上布置原則進(jìn)行擴(kuò)展。硬巖和泥水盾構(gòu)機(jī)的刀盤，也可以借鑒此經(jīng)驗(yàn)。

綜上所述，刀具在刀盤表面的布置必須講究實(shí)用性，以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)整體功能為前提，尋找解決問題的最佳配置；以地質(zhì)研究為基礎(chǔ)，結(jié)合刀盤的結(jié)構(gòu)特性和運(yùn)動(dòng)特性以及刀具的使用特性等多種因素，選擇合適的刀具，設(shè)計(jì)合適的軌跡，才能確定出實(shí)用的刀具布置，為每個(gè)項(xiàng)目量身定做最合適的刀盤。

[1]蔣建敏，趙學(xué)彬，賀定勇等.北京地區(qū)盾構(gòu)機(jī)刀具失效分析及制造研究[J].中國(guó)表面工程，2006（3）：44-46.

[2]張明富.土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)刀具動(dòng)態(tài)磨損研究[D]北京：北京交通大學(xué)，2007.