徐 寅，樹 軍，王樹東，吳春雨

（中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司，江蘇 常熟 215500）

隨著城市地鐵軌道交通的快速發(fā)展，盾構(gòu)機(jī)作為地鐵隧道挖掘的重要施工設(shè)備被廣泛的運用。盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展使隧道的施工更加安全，工程質(zhì)量更好，大大的縮短了工期和人力。其中土壓平衡盾構(gòu)更是地鐵盾構(gòu)最常用的機(jī)種。其中作為排土系統(tǒng)的核心“螺旋機(jī)”不得不提，排土原理主要是通過螺旋機(jī)后端的液壓驅(qū)動馬達(dá)帶動螺旋軸的旋轉(zhuǎn)把渣土從土倉抽出，運送到螺旋機(jī)出土口，然后再由皮帶機(jī)將渣土運出盾體，最后通過渣土車運離隧道。螺旋機(jī)葉片的直徑和節(jié)距尺寸決定了螺旋機(jī)所能排出渣土或渣石的大小的能力，如果螺旋機(jī)排渣能力不能排出盾構(gòu)機(jī)刀盤切削下來的最大塊石，那么塊石會在土倉內(nèi)堆積增加刀盤的負(fù)載扭矩，加速刀盤盤體的磨損在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時增加了設(shè)備的1個風(fēng)險因素，所以螺旋機(jī)葉片的制作質(zhì)量的保證對整個盾構(gòu)機(jī)的質(zhì)量保證起到了非常重要的作用。

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)上比較常用螺旋機(jī)的有帶式螺旋機(jī)（無軸式）和軸式螺旋機(jī)（有軸式），二者的區(qū)別主要在于中間是否有軸。（如圖1、2）

螺旋機(jī)形式選擇主要取決于盾構(gòu)機(jī)所使用的地質(zhì)條件，如圖1帶式螺旋機(jī)的螺距大中間無軸，能夠通過接近螺旋軸軸徑的塊石，通過塊石粒徑較大，一般運用于卵石含量多或巖層比較破碎的地層。軸式螺旋機(jī)由于中間有軸，所能通過的最大塊石粒徑為螺旋機(jī)軸徑的一般還要減去中間軸的半徑，通過塊石粒徑較小，一般運用于軟土地層或地下水豐富的復(fù)合地層。

圖1 帶式螺旋機(jī)的螺旋軸

圖2 軸式螺旋機(jī)的螺旋軸

如圖1、2帶式螺旋軸與軸式螺旋軸主要區(qū)別在于葉片中間是否有軸，以及葉片的厚度。因為帶式螺旋軸中間無軸強(qiáng)度相對較小，所以加厚葉片加強(qiáng)螺旋軸整體的強(qiáng)度。但是這兩種葉片的制作原理基本是相同的。同時螺旋葉片也是螺旋機(jī)各種零件中的核心，由于其具有特殊的空間曲面形狀，螺旋葉片的加工制作具有一定的難度。

1 螺旋葉片的制作方法［1］

1.1 單片手工熱壓成形法

單片手工熱壓成形法是將按單片螺旋葉片展開圖下好料的坯料加熱到700℃左右后，在單片熱成形胎具上用手工捶打成形。這種方法的特點：

（1）成形工藝簡單，使用小批量生產(chǎn)螺旋葉片；

（2）生產(chǎn)條件差，勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低；

（3）螺旋葉片成形質(zhì)量不穩(wěn)定，焊接組合誤差大；

（4）適用于螺旋葉片薄的坯料成形。

1.2 胎具熱壓成形法

胎具熱壓成形法是將按單片螺旋葉片展開圖下好的坯料加熱到700℃左右后放入成形胎具中在壓力機(jī)上熱壓成形。這種成形胎具的安裝面與導(dǎo)柱方向垂直。這種成形方法的特點；

（1）需要加工專用熱壓成形胎具，適合于批量生產(chǎn)螺旋葉片；

（2）生產(chǎn)效率高，但生產(chǎn)條件差，勞動強(qiáng)度大；

（3）螺旋葉片成形質(zhì)量穩(wěn)定，但成形螺旋葉片外觀質(zhì)量差；

（4）適用于螺旋葉片厚的坯料成形。

1.3 胎具冷壓成形法

胎具冷壓成形法是將按單片螺旋葉片展開圖下好的坯料直接放入成形胎具中，在壓力機(jī)上冷壓成形。成形胎具需從受力的角度考慮，使壓制時徑向力較小，葉片不下滑。這種方法的特點：

（1）需要加工專用冷壓成形胎具，適用于批量生產(chǎn)螺旋葉片；

（2）生產(chǎn)效率高，改善了勞動環(huán)境，降低了勞動強(qiáng)度；

（3）螺旋葉片成形質(zhì)量穩(wěn)定，外觀質(zhì)量好；

（4）胎具的導(dǎo)程等于葉片的導(dǎo)程加上坯料冷壓后的反彈量，對不同材質(zhì)的螺旋葉片坯料需經(jīng)試驗來確定胎具的導(dǎo)程。

（5）降低能耗，節(jié)約成本；

（6）對于螺旋葉片板薄的坯料宜采用此法。

根據(jù)上述3種方法分析［2］，軸式螺旋機(jī)螺旋葉片薄成形質(zhì)量要求高宜選用“胎具冷壓成形法”，帶式螺旋機(jī)螺旋葉片厚宜選用“胎具熱壓成形法”。

2 螺旋葉片的制作及相關(guān)參數(shù)的計算

2.1 胎具的組成

由于螺旋葉片形狀是螺旋狀的，其表面是1個不規(guī)則的螺旋面。所以制作螺旋葉片所用的胎具形狀需與制作的螺旋葉片相匹配。（如圖3）

圖3 螺旋葉片胎具

由圖3可知螺旋葉片的胎具主要有上、下模，壓板，導(dǎo)柱，定位板組成。螺旋機(jī)葉片的制作就是先將胎具的下壓板安裝、固定在壓機(jī)上，然后將葉片加熱后放入胎具的上、下模蓋板中間，最后通過壓機(jī)的作用力將葉片壓制成型。所以確定胎具上、下模蓋板的螺旋面，也就確定的螺旋葉片的形狀。下面就介紹下螺旋胎具各參數(shù)的計算及尺寸的確定。

2.2 螺旋葉片尺寸計算

首先需要了解幾個概念：上、下模蓋板（螺旋葉片）成形后的節(jié)距P、葉片內(nèi)徑d、葉片外徑D。（如圖4）

圖4 葉片示意圖

通過以下公式可求得上、下模蓋板（螺旋葉片）的下料尺寸［3］：

式中：L/mm——外螺旋線實長；

l/mm——內(nèi)螺旋線實長；

h/mm——葉片高；

r/mm——葉片展開里口半徑；

α/°——切口角度；

C/mm——切口弦長。

螺旋葉片胎具上、下模支撐板的在不同圓周點上的長度尺寸可通過圖5上放樣得出。

圖5 螺旋葉片下料圖

此處以6m土壓平衡盾構(gòu)螺旋機(jī)的常用尺寸舉個例子來計算說明：

已知螺旋葉片外徑D=710mm，軸徑d=150mm，節(jié)距P=510mm，帶入上式得到具體參數(shù)如下。

根據(jù)以上格式計算求得的值，即可作出上、下模蓋板（螺旋葉片）的展開圖（下料尺寸），從而就能把螺旋葉片的胎具制作出來，螺旋葉片也就能通過胎具壓制成型。帶式螺旋葉片的計算同理。

2.3 螺旋葉片的加工

螺旋葉片加工成型后是單個節(jié)距的零件［4］，需要將數(shù)個螺旋葉片焊接起來才能形成螺旋機(jī)的螺旋軸，螺旋葉片的個數(shù)是根據(jù)螺旋機(jī)的長度確定的。另外除了上述方法外帶式螺旋機(jī)的制造工藝也可采用鑄造形式的，本文對此制造工藝不進(jìn)行詳細(xì)探討。

由于盾構(gòu)機(jī)的螺旋機(jī)輸送的渣土大多含有石英砂等研磨性很強(qiáng)的物質(zhì)，所以在螺旋軸焊接完成后需要對螺旋葉片的表面及邊緣進(jìn)行耐磨堆焊。特別是頭部伸進(jìn)土倉的部分耐磨堆焊需要加厚、加寬、加密。這樣才能使螺旋葉片的使用壽命以及功能得到保證。

3 結(jié)束語

上述介紹的方法在胎具制作完成后可對多個螺旋葉片進(jìn)制造生產(chǎn)，相對來說是加工螺旋葉片較為簡單，確實可行的方法，同時也運用的比較普遍和廣泛。