盾构机刀盘的控制特点及布刀方式

盾构机刀盘的控制特点及布刀方式

彭伟杨

(广东华隧建设集团股份有限公司广东广州510000)

摘要：随着国家对铁路和地铁的大力建设，盾构机已成为隧道挖掘过程中的不可缺少的工具，目前国内对盾构机的研究相对落后，而刀盘作为盾构机中的关键部件，其挖掘性能的好坏将直接影响到盾构机的掘进效率和刀盘的寿命。为了能够让盾构机更好地服务铁路工程，本文通过分析刀盘以及布刀的方式，让大家对盾构机有更深入的了解，也为后期盾构机的深入研发提供理论基础。

关键词：盾构机；刀盘；布刀方式

随着隧道工程以及城市地铁等地下工程的发展，盾构机已经成为我国城市建设不可缺少的开挖设备。刀盘作为盾构机挖掘主要工作，影响盾构机的挖掘定向、寿命、效率以及可靠性。盾构机作为地下开挖设备的主要工作，面对不同的地质有不同的挖掘方式，示如硬质地层、粘土类地层等，这些不同种类的地层直接决定盾构机的布刀方式以及刀盘选择的类型，所以我们在进行盾构机挖掘时，要掌握好相关的性能，做好对盾构机的研究。

一、刀盘与刀具的结构

盾构机刀盘的结构影响盾构机的挖掘定向与工作的性能，而刀盘结构又与几何参数、力学参数有关，所以我们要做好相关的资料调查，为盾构机的工作开展打好基础。

刀盘是盾构机掘进的关键部位，一般采用钢结构焊接而成，具有开挖土体、稳定撑子面、搅拌渣土等功能，目前的刀盘可以分为轮辐式、面板式以及轮辐面板式。刀盘开口率主要指开口面积在整个刀盘面积中所占的比例，开口率的大小直接决定了刀盘掘削土砂的难易度，实际工程中刀盘开口率多采用百分之十到百分之七十，这一组数值是根据刀盘在单位时间内排除土砂量多少而得出的，这一数值大于或等于刀盘的切削量。通过对像上海、广州等多座城市的地铁隧道工程采样分析，我们能够得出一般隧道大小以及地层土质直径在6.28米左右的，开口率通常为百分之二十九，采用辐条面板式刀盘。

二、刀盘的控制特点

盾构机刀盘驱动系统具有功率大且功率变化范围宽的特点。刀盘负载随着端面土质的改变而改变，切削硬岩与切削软土需要的切削力矩以及转速变换很大，当切削硬岩石需要有高速小扭矩，而切削软岩时需要调换成低速扭矩，所以刀盘的速度变换我们要掌控好，在刀盘低速运转时，刀盘的扭矩可以保证在一个速率上不变。当刀盘处在脱困的模式下，刀盘的转速与刀盘的转矩始终保持平衡，处于恒定状态，一般情况下，刀盘被岩石泥土卡住不能旋转时，也需要采用这种方式，所以我们也称为脱困模式。刀盘的运行时间不能过长，通常设定在30秒内，超过30秒刀盘就会自动停止，停止后一分钟内不能够启动，等待刀盘回冷。

三、盾构机的布刀方式

根据岩石的切削与破碎机理，再结合刀具切削时所形成的空间力系特征，我们能够得出，一般含有较多岩石的硬质地层，盾构机的刀盘适合布置滚刀、切刀、周边刮刀以及仿形刀，布置在盾构机时主要以中心、正刀和边缘三个位置为主。

滚刀在布置安装时主要是以切削岩石为主，在切削过程中，滚刀受垂直力滚动力、侧向力以及惯性力，为所有的切削工作起先导作用。切刀与滚刀相比较，切刀主要起清理作用，在布置切刀时要保证切刀的运动轨迹始终为一个环面，每一条轨迹上要有辐条数量一般的切刀轨迹，切刀在辐条两侧要相互对称，同时，为了保证切刀的轨迹能够覆盖整个开挖面，工作人员要减少刀具的磨损，确保相邻的轨迹中切刀有50——100毫米的重叠量。刀具在刀盘的位置通过前期确认后，要建立刀盘模型，例如Solidworks软件中的刀盘模型主要以刀盘、刀架、滚刀还有切刀以及仿形刀组成。滚刀是刀盘模型中较为复杂的，囊括了刀圈、刀圈卡环、轴承、密封圈以及心轴，在装配时要注意各部件尺寸之间的协调。刀盘以及刀具建立好后，要对刀盘建立一个虚拟样机装配，同样要保证配件之间不能互相干扰，辅助后期的仿真工作的顺利开展。

刀盘的材料选择也极为重要，一般采用AISI1045钢，弹性模量和泊松分别控制在2.05x1011Pa和0.29，屈服应力以及切应力分别控制在530MPA和800MPA之间，如果采用滚刀进行切削岩石，要保证滚刀的锋利，能够有较高的抗冲击韧性，防止在切削时出现断裂，刀圈也要具有很高的耐磨性。岩石对刀圈的磨损比较小的情况，一般采用21MnCr25，在弹性模量以及泊松比上，比AISI1045钢小一点。另外我们要注意刀具位置的排放，避免由于位置误差导致零件在装配过程中因为受力不均、轴承间隙导致刀具受损。一旦发现有偏差，需要立刻停止工作，调整刀具。如果碰到刀盘工作时出现的偏心对挖掘的影响，我们可以采取仿形刀进行纠偏。为了保证刀盘受力均匀，我们要根据刀具的实际运用情况对刀具的制造以及安装提前做好设计，确保刀具能够适应工作区域的环境。

四、结论

综上所述，盾构机中的布刀方式与刀盘的特点相关联，同时布刀方式有直接影响盾构机的运行。要让盾构机更好的服务于我们的工作，首先我们要了解盾构机刀盘的特点以及布刀的措施，并结合物理、数学等学科丰富盾构机的实用理论，让盾构机能够更完美地运用到新的工作环境中，解决更多地下工作难题。

参考文献：

[1]盾构机刀盘驱动液压系统设计与仿真分析[D].蒋瑞祺.沈阳理工大学2015

[2]岩土盾构机刀盘系统的动态优化设计及滚刀磨损机理研究[D].魏田华.东北大学2013

[3]盾构机刀盘驱动大轴承设计研究[D].陈沛.西南交通大学2010

[4]盾构刀盘掘进过程数值仿真研究[D].程军.沈阳工业大学2017