摘 要:主要通過(guò)介紹敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)形式和工作原理,詳細(xì)分析了刀盤(pán)裝配中的技術(shù)難點(diǎn),并根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)詳細(xì)介紹和論證了刀盤(pán)裝配的合理可行的裝配方案,針對(duì)裝配方案中的技術(shù)難點(diǎn),詳細(xì)分析了刀盤(pán)裝配精度和使用性能的要求,并采取了合理的工藝措施和技術(shù)手段,保證刀盤(pán)的裝配精度和使用性能,具有一定的參考意義。
關(guān)鍵詞:敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī);刀盤(pán)裝配;裝配方案;滾刀座;安裝工具
引言
敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)是一種集掘進(jìn)、出渣、導(dǎo)向、支護(hù)和通風(fēng)等多功能為一體的大型高效隧道施工機(jī)械,適應(yīng)于硬巖地質(zhì)條件,主要依靠安裝在刀盤(pán)上的17″和20″盤(pán)形滾刀對(duì)開(kāi)挖面的巖層進(jìn)行滾壓破碎。敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)需要滿足特定的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件,以及超長(zhǎng)距離、超大斷面、存在軟弱巖層、高速掘進(jìn)、在不同的地質(zhì)情況下仍具有良好的破巖開(kāi)挖能力,并能高效安全地通過(guò)洞線上的各類(lèi)地層的技術(shù)要求,因此,敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)除研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮刀盤(pán)的強(qiáng)度、剛度、耐磨性和耐久性外,還應(yīng)研究采用合理的加工和裝配工藝手段,保證刀盤(pán)的整體裝配精度和使用性能。
目前刀盤(pán)的裝配需要多次調(diào)整檢測(cè),效率較低,更重要的是很難保證關(guān)鍵部件盤(pán)形滾刀的安裝精度,且影響刀盤(pán)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。其次,受敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)地下施工環(huán)境的限制,施工過(guò)程中的維修非常困難,刀盤(pán)工廠內(nèi)的裝配過(guò)程便十分關(guān)鍵,是保證刀盤(pán)使用性能的檢驗(yàn)過(guò)程,因此刀盤(pán)的裝配也是整個(gè)刀盤(pán)制造過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。
本篇主要以直徑Φ8.53m敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)為例,介紹敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)的裝配技術(shù),結(jié)合刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)形式和技術(shù)難點(diǎn),采取合理的工藝措施和手段保證刀盤(pán)的裝配精度。
1 敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)形式和工作原理
1.1 敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)形式
如圖1 所示,敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)直徑為5瓣把合的結(jié)構(gòu)形式。刀盤(pán)結(jié)構(gòu)件主要包括中心塊、左邊塊、右邊塊、上邊塊和下邊塊。
刀盤(pán)的周邊布置有鏟斗,鏟斗沿刀盤(pán)外圍分布,用來(lái)把巖渣從隧洞底部鏟至頂部,然后沿著出渣槽到達(dá)主機(jī)皮帶出渣機(jī)上方的巖渣漏斗。鏟斗開(kāi)口上安裝有可更換的斗齒,有助于在隧道沿線可能遇到的松散巖石的開(kāi)挖和裝料,以提高周邊圍巖斷面平整度。刀盤(pán)表面覆有TRIMAY耐磨板和HARDOX耐磨板,用于防護(hù)刀盤(pán)磨損。刀盤(pán)面上裝有噴水系統(tǒng),噴水系統(tǒng)通過(guò)刀盤(pán)中心的旋轉(zhuǎn)接頭將水壓送到的各個(gè)噴嘴點(diǎn),起到施工中降溫和濕塵的作用。
刀盤(pán)上布置背裝式盤(pán)型滾刀,分別為45把20寸滾刀和4把17寸中心滾刀,滾刀安裝在滾刀座上,盤(pán)形滾刀在刀盤(pán)上呈雙螺旋線布置,且分布在不同的角度面上,安裝中存在各種不同角度和高度,掘進(jìn)施工時(shí)主要通過(guò)兩等距相鄰滾刀對(duì)巖石擠壓,使巖石產(chǎn)生裂紋進(jìn)而進(jìn)行破碎。
1.2 敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)的工作原理
通過(guò)刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn),并由推進(jìn)系統(tǒng)給刀盤(pán)提供推進(jìn)力,在推進(jìn)力的作用下滾刀切入巖石掌子面。不同部位的滾刀在掌子面上留下不同半徑的同心圓切槽軌跡,在滾刀的擠壓下,相鄰切槽的巖石在剪切力作用下從巖體上剝落下來(lái)形成石渣,石渣則隨著刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)由刀盤(pán)上的鏟渣斗自動(dòng)拾起,經(jīng)刀盤(pán)內(nèi)的溜渣槽輸送出去。
2 刀盤(pán)裝配技術(shù)難點(diǎn)
2.1 刀盤(pán)的組對(duì)
直徑8.53m刀盤(pán)5瓣體積較大,調(diào)整困難。刀盤(pán)各瓣制造過(guò)程相互獨(dú)立進(jìn)行,調(diào)整時(shí)各瓣組對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)存在誤差。各瓣通過(guò)定位銷(xiāo)定位,用螺栓聯(lián)接,各瓣結(jié)合面的形位公差要求為0.05mm/1000mm,結(jié)合面上的銷(xiāo)孔共計(jì)8個(gè),螺栓聯(lián)接孔共計(jì)1144個(gè),數(shù)量較多,位置精度要求為Φ0.1mm,精度要求嚴(yán)格,刀盤(pán)裝配后整體平面度為0.2mm/1000mm,直徑公差為0~3mm,裝配技術(shù)復(fù)雜。刀盤(pán)裝配中保證刀盤(pán)直徑尺寸、刀盤(pán)圓度及平面度成為技術(shù)難點(diǎn)。
2.2 滾刀座的安裝
滾刀座為分體式結(jié)構(gòu),由嵌塊和左、右半刀座組成。在安裝之前,需要將左、右半刀座和嵌塊分別進(jìn)行組對(duì),此工序要求精確保證左、右和嵌塊的組對(duì)尺寸。
滾刀座的安裝應(yīng)以刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)中心為基準(zhǔn)并參考刀盤(pán)的十字中心線和刀座孔的徑向中心線進(jìn)行定位,在刀盤(pán)水平面上呈雙螺旋線分布,安裝位置復(fù)雜。根據(jù)刀盤(pán)性能要求滾刀座安裝需達(dá)到以下工藝要求:
a.滾刀座安裝在設(shè)計(jì)確定的X和Y方向坐標(biāo)點(diǎn)上;b.滾刀座安裝后須刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)圓的切線上,不得偏斜和歪曲;c.滾刀安裝后須保證刀刃在同一平面上;d.邊滾刀安裝后刀刃在設(shè)計(jì)確定的過(guò)渡曲線上。
同時(shí)保證滾刀座安裝允許偏差:高度方向?yàn)?~2mm,圓周和徑向偏差為±1mm,水平角度偏差為1°,軸向角度偏差為1°。即保證滾刀座安裝后盡量使各滾刀所受載荷盡量相等,每把滾刀的破巖量也盡量相等,盡量使刀盤(pán)掘進(jìn)時(shí)在X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)位置上的受力投影代數(shù)和為零,保證各滾刀的使用壽命、刀盤(pán)的破巖效果和延長(zhǎng)刀盤(pán)的使用壽命及減少掘進(jìn)機(jī)的振動(dòng)。因此滾刀座的安裝精度對(duì)掘進(jìn)機(jī)的性能影響非常大。
3 刀盤(pán)的裝配方案
3.1 刀盤(pán)各部件裝配順序
滾刀座及鏟斗等各件的安裝均以刀盤(pán)中心為基準(zhǔn),所以首先要先將刀盤(pán)各塊進(jìn)行組對(duì);滾刀座的安裝十分關(guān)鍵,為便于調(diào)整和消除應(yīng)力處理,需先進(jìn)行刀座的焊接安裝;同時(shí)堅(jiān)持先重要后次要,先焊接后組裝和盡量減少刀盤(pán)翻個(gè)次數(shù)的原則,由于耐磨板焊接工序環(huán)境惡劣,容易造成零件的二次污染和毀壞滾刀軸承等精密零件,應(yīng)盡量安排在前工序中進(jìn)行。
因此刀盤(pán)各部件的裝配基本順序?yàn)椋旱侗P(pán)組對(duì)檢測(cè)-滾刀座的安裝-鏟斗的安裝-耐磨板的焊接-噴水裝置的安裝-滾刀的安裝。
3.2 刀盤(pán)的組對(duì)
刀盤(pán)各瓣的組對(duì)工序主要是調(diào)整和檢查刀盤(pán)組對(duì)后的直徑尺寸和圓度、平面度,同時(shí)為下步工序做準(zhǔn)備。根據(jù)刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)形式和上述技術(shù)難點(diǎn),我需要采取特殊的工藝方法,來(lái)保證刀盤(pán)的組對(duì)精度??紤]刀盤(pán)各瓣尺寸較大,調(diào)整困難,且單獨(dú)制造生產(chǎn),無(wú)組對(duì)統(tǒng)一基準(zhǔn)的問(wèn)題,為此,在我們要求在刀盤(pán)的上面各塊結(jié)合縫處以刀盤(pán)中心為基準(zhǔn)加工出數(shù)個(gè)R100mm的基準(zhǔn)面,作為刀盤(pán)組對(duì)和檢測(cè)的基準(zhǔn),也作為各瓣法蘭面把和孔的加工基準(zhǔn),該基準(zhǔn)面在充分考慮各瓣的平面度和直徑尺寸的情況下,以刀盤(pán)中心為基準(zhǔn)進(jìn)行加工,位置精度控制在0.1mm,這樣就可以有效地控制刀盤(pán)的平面度、圓度和直徑尺寸。
3.3 滾刀座的安裝
以49#-53#邊滾刀座為例,如表1所示,49#-53#邊滾刀分布在不同的角度面上,各滾刀座X、Y和角度方向安裝尺寸要求很?chē)?yán)格,采用一般檢測(cè)調(diào)整的方法,無(wú)法直觀地標(biāo)示出各滾刀座的坐標(biāo),很難對(duì)各滾刀座位置進(jìn)行精確定位。
表1 49#-53#邊滾刀座安裝位置
為此,需采用特殊的裝配工藝方案,設(shè)法將各滾刀座的安裝坐標(biāo)直觀精確地以刀盤(pán)中心為基準(zhǔn)標(biāo)示出來(lái)。該工藝方案為將各滾刀座的位置坐標(biāo)標(biāo)示在刀盤(pán)檢測(cè)樣板上,通過(guò)刀盤(pán)檢測(cè)樣板在刀盤(pán)中心部位定位并旋轉(zhuǎn)一周,即可依次標(biāo)示出各滾刀座的位置。刀盤(pán)檢測(cè)樣板主要由底座、固定柱、卡環(huán)、固定座、刻度板和外輪廓檢測(cè)板組成,固定座與固定柱為基孔制間隙配合關(guān)系,并可以通過(guò)擰緊卡環(huán)以限制固定座上下方向上的位移。刻度板用螺栓固定在固定座上,可以以固定柱為中心自由轉(zhuǎn)動(dòng),并通過(guò)調(diào)整固定座的來(lái)調(diào)整刻度板的高度尺寸。底座通過(guò)定位銷(xiāo)定位在刀盤(pán)中心,實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)中心與刀盤(pán)中心重合,刻度板上刻有各滾刀座的軌跡位置線,因此刀盤(pán)檢測(cè)樣板旋轉(zhuǎn)一周,即可通過(guò)刻度板上各滾刀座的軌跡線標(biāo)識(shí)出各滾刀座的位置。
1.底座;2.固定柱;3.卡環(huán);4.固定座;5.刻度板;6.外輪廓檢測(cè)板
圖3 刀盤(pán)檢測(cè)樣板
刀盤(pán)制造過(guò)程中要求進(jìn)行2次消除應(yīng)力處理,要求第二次消除應(yīng)力處理為刀座焊接完成后進(jìn)行,以消除刀座焊接產(chǎn)生的焊接應(yīng)力,這就決定了刀盤(pán)需經(jīng)2次加工。這樣滾刀座安裝就有兩種方案,第一種方案為第一次初加工各加工面留10mm加工余量,然后組對(duì)焊接嵌塊并進(jìn)行退火消除應(yīng)力處理,然后再焊接組對(duì)左右半刀座,合格后再最終加工刀盤(pán),工序比較復(fù)雜。第二種方案為不進(jìn)行退火處理,改為刀座焊接完成后進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效消除應(yīng)力,此時(shí)就可以先將嵌塊和左右半刀座組對(duì),再使用工裝進(jìn)行安裝。在滿足刀盤(pán)裝配精度的前提下,方案二的工序簡(jiǎn)單,工作強(qiáng)度小,效率高,較為合理?,F(xiàn)以第二種方案為例介紹滾刀座的安裝。
(1)刀座孔位置的檢測(cè)。刀座孔的位置在刀盤(pán)結(jié)構(gòu)件焊接并熱處理后會(huì)存在一定的誤差,故在安裝滾刀座之前要先進(jìn)行刀座孔的位置檢測(cè),主要目的是通過(guò)檢測(cè)作出刀座的安裝位置刻線,如果存在刀座孔位置存在偏差,則需要檢測(cè)偏差值作為修配的依據(jù)。此工序通過(guò)刀座孔檢測(cè)樣板來(lái)實(shí)現(xiàn),刀座孔檢測(cè)樣板上刻有滾刀基準(zhǔn)線和刀具軌跡對(duì)正線,底板的尺寸與刀座組對(duì)后的尺寸相同,可作為標(biāo)記刀座安裝位置的依據(jù)。如圖4所示刀座孔檢測(cè)樣板與刀盤(pán)檢測(cè)樣板上的對(duì)應(yīng)刀具軌跡線對(duì)齊后,達(dá)到要求的偏差值用固定夾固定在刀盤(pán)檢測(cè)樣板上,隨著刀盤(pán)檢測(cè)樣板的旋轉(zhuǎn)依次檢測(cè)各滾刀孔的位置。
(2)滾刀座的安裝。針對(duì)滾刀座分體式結(jié)構(gòu)形式,為精確保證嵌塊和半刀座之間的尺寸,采用刀座安裝工具進(jìn)行安裝。刀座安裝工具軸部結(jié)構(gòu)形式與滾刀軸部形式一致,可以以滾刀組裝的形式與刀具座進(jìn)行組裝,起到代替滾刀的作用,減小了基準(zhǔn)不重合誤差和滾刀實(shí)際安裝中調(diào)整的誤差,如圖5所示,刀座與安裝工具組對(duì)后即可保證刀座的組對(duì)尺寸,精確可靠。
圖5 刀座安裝工具
刀座安裝工具上刻有滾刀基準(zhǔn)線和刀具軌跡對(duì)正線,安裝時(shí),如圖4所示,與刀盤(pán)檢測(cè)樣板上的對(duì)應(yīng)刀具軌跡線對(duì)齊,達(dá)到要求的偏差值,即可依次對(duì)各滾刀座進(jìn)行定位焊接。此方案進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效消除應(yīng)力后再經(jīng)過(guò)一次最終檢驗(yàn)即可。
本滾刀座安裝方案以刀盤(pán)中心為基準(zhǔn),一次精確定位,避免了多次測(cè)量產(chǎn)生的誤差;刻度板上滾刀軌跡刻線,可方便的標(biāo)識(shí)出各滾刀的實(shí)際工作位置,更直觀準(zhǔn)確,便于尺寸的調(diào)整和檢測(cè),完全滿足刀盤(pán)的裝配精度。
3.4 鏟斗的安裝
鏟斗安裝高度尺寸為97mm,比滾刀低38mm,在刀盤(pán)外周面上分布角度復(fù)雜,要求高度等位置尺寸嚴(yán)格,安裝過(guò)程中調(diào)整位置精度直接影響到刀盤(pán)使用中刀具的磨損和石渣的鏟出量。鏟斗的安裝以刀盤(pán)中心為基準(zhǔn),為保證其安裝精度,采用與滾刀座安裝同樣的工藝方法,利用刀盤(pán)檢測(cè)樣板在刀盤(pán)中心定位,借助外輪廓板精確控制鏟斗的安裝位置,依次調(diào)整各鏟斗裝配的高度尺寸,保證鏟斗與刀盤(pán)檢測(cè)樣板之間的間隙。
4 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)對(duì)敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)形式、工作原理和裝配技術(shù)難點(diǎn)的分析,詳細(xì)介紹了敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)刀盤(pán)的裝配技術(shù),本裝配技術(shù)方案可精確對(duì)滾刀座和鏟斗等部件進(jìn)行安裝,控制刀盤(pán)的整體裝配精度,同時(shí)具有精度高,效率高,勞動(dòng)強(qiáng)度低的特點(diǎn),完全滿足刀盤(pán)的使用性能要求。
參考文獻(xiàn)
[1]汪建業(yè).重型機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)[E].云南科技出版社,2007:525-528.
[2]王先逵.機(jī)械制造工藝學(xué)[E].機(jī)械工業(yè)出版社,2007:218-256.
[3]張照煌.全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)及其刀具破巖理論[M].北京中國(guó)鐵道出版社,2003.
[4]趙懷輝.盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)裝置裝配[J].消費(fèi)電子,2012,06(142):23-25.
作者簡(jiǎn)介:丁洪波(1986-),北方重工集團(tuán)盾構(gòu)機(jī)分公司,工程師。