高难度材料—-盾构机刀具钢

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 盾构机上常用刀具的种类和切削原理



对于盾构机来说，掘削系统即是掘削刀盘及其驱动系统。

盾构机刀具根据工作方式和位置、形状等方式分类，常见的分类方式是采用工作原理分类，主要为切削刀和滚刀两种，其中切削刀又分为齿刀、刮刀、先行刀等多种，根据不同的盾构设计以及土层情况，客户需要选配不同的刀具进行投入工作。例如，地质为硬岩时，一般配合采用滚刀，地质为软质岩石时，一般采用齿刀，处于两者中间的可以选择切刀进行工作。

滚刀的切削原理主要是刀具依靠挤压破岩，一般用于岩石隧道的掘进。当穿越松散地层但有大粒径的砾石(粒径大于400mm)、并且含量达到一定比例时，也可采用滚刀型刀具。另在隧道地质条件复杂多变、岩石(强度不算太高)与一般土体(或粘土或砂土)交错频繁出现的情况，也有可能采用滚刀型刀具，即在复合式盾构机中采用。

切削刀的切削原理则主要是盾构机向前推进的同时，刀具随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向(沿隧道前进方向)剪切力和径向(刀盘旋转切线方向)切削力，不断将开挖面前方土体切削下来。切削刀一般适用于粒径小于400mm的砂卵石、砂土、粘土等松散体地层。


 刀盘材料的选择



盾构刀具在材料方面一般由两至三种构成，即基体材料、硬质合金材料、刀具刃口堆焊材料等复合制成。下面以海瑞克刀具为例，其周边刀的刀体是德国产钢号为St52-3的钢材，其性能相当于国产低碳钢Q235，该材料韧性较好但硬度较低；周边刀刃口主要承受高应力的磨粒磨损，其迎土面钎焊有球齿，球齿材料为硬质合金，主要用于承受砂砾、卵石的磨粒磨损与撞击，刮刀用硬质合金钢做为到头，高耐磨合金高作为刀体。


 刀具的失效形式



刀具的失效形式主要有以下几种：

刀具磨损：占刀具更换量的80%。

刀圈偏磨：滚刀在掘进过程中不转动，中心区滚刀容易出现此现象。

刀圈断裂：推力过大或刀圈在比较硬的岩石上滚动时有可能发生，边缘滚刀和正面区滚刀经常有此现象。

刀圈挡圈磨损或脱落：一旦刀圈挡圈脱落或焊接处磨损严重，就应该更换刀具。

滚刀漏油：由于密封件的损坏，可能使密封油泄露，从而导致油封座和轮毂的损坏。

轮毂磨损：刀盘和渣土不间断的摩擦，使得滚刀轮毂发生磨损。

油封座损坏：漏油导致。


 刀具磨损原因分析



刀具的磨损可分为以下几类：

粘着磨损：其外观表现为麻点；主要原因是材料的相互作用，粘着磨损的过程实际上是摩擦副双方间原子键的形成和分离过程

磨料磨损：表现为擦伤、沟纹、条痕等；主要原因是硬颗粒或硬突起引起摩擦表面损坏

疲劳磨损：表现为裂纹、点蚀；材料表面受循环接触应力，产生重复变形，导致裂纹和颗粒分离

摩擦化学磨损：表面出现反应产物，膜、微粒等；在摩擦作用的作用下，发生化学反应或电化学反应

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