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硬岩隧洞掘进机(TBM)刀具的管理
2017/7/17 10:28:14

TBM盘形滚刀简介

      硬岩TBM的盘形滚刀有三种类型,它们是边刀(gage cutter)、面刀(face cutter)和中心双刃滚刀(double disk or center cutter)。以美国ROBBINS公司所生产的TBM为例,滚刀的尺寸一般分19英寸(483 mm)17英寸(432 mm)两种,直径较大(一般大于7 m)TBM安装l9英寸的滚刀,直径较小(一般小于7 in)TBM安装l7英寸的滚刀。这三种滚刀被科学地布置在刀盘面上,随着刀盘的转动,它们就以刀盘中心为中心被动地进行同心圆转动。这些滚刀在强大的推进力和扭矩作用之下,通过挤压将隧洞岩石切削下来,完成了隧洞的开挖工作。其中边刀是按照不同的角度被安装在刀盘的边缘,负责隧洞轮廓的开挖工作,其刀刃较厚,更耐磨损。面刀是按照一定的比例被均匀地安装在刀盘面上,负责隧洞掌子面岩石的开挖工作,其刀刃较薄,有利于切削岩石。中心双刃刀是被安装在刀盘的中心位置,负责掌子面中心岩石的开挖工作,其是由两个面刀被特殊地并列安装在同一个转动轴上而得名,例如山西省的引黄人晋水利工程和辽宁省的大伙房水利工程所使用的ROBBINS硬岩TBM上就都安装有4个这样的双刃刀,这4个双刃刀在克服转动半径小、扭力巨大的不利情况之下,能有效地将掌子面中心处的岩石切削下来。

      这三种不同类型的滚刀总成均是由刀圈、转动轴、轴承和密封圈组成,是由特种钢材制造而成,它们硬度适中,具有耐磨、抗高温的特性。这种特种钢材是由生产厂家经过长时间大量的试验后制造出来的,现在还属于技术垄断状态,目前在我国还没有合适的替代产品,所以它们的价格昂贵,每一个滚刀总成折合人民币数万元;另外刀具属于消耗品,其消耗量在每一条隧洞的掘进中都非常大。所以加强刀具管理将有利于降低生产成本,提高生产效率。

3 TBM刀具的机械管理

      硬岩隧洞掘进机在掘进一段时间以后,刀具就会逐渐磨损变小或者破损,经TBM刀具工测量、检查确认某些刀具不能继续使用以后,就需要对其进行更换,否则会影响TBM的正常掘进。TBM刀具的磨损、破损情况有许多种形式,认真分析每一种破损形式可以帮助刀具工正确掌握刀具的更换时间,有利于使每个刀具发挥出最大的能量,更有利于TBM的正常掘进,对于降低生产成本、节约检修更换时间,将起到积极的作用。

3.1 TBM刀具更换标准

      TBM刀具更换标准没有一个固定的值,需要刀具工根据工作实际情况来判断是否需要更换和什么时候更换。但在一般正常磨损的情况之下,当边刀刀圈磨损掉10~15 mm左右、面刀和中心双刃刀刀圈磨损掉20~25mm左右时就需要对它们进行更换。因为此时刀圈的刀刃变宽,其切削岩石的能力降低,TBM掘进时所需要的扭距和推力就会增大,加大了TBM液压系统和电机系统的负荷,而且切削下来的岩石也会磨损到刀盘面,会降低TBM的使用寿命。而如果在小于上述更换标准的情况之下频繁地进行更换,则不能发挥每一个刀圈应有的效能,也将浪费掉许多宝贵的时间。另外在非正常磨损的情况之下,如发生刀圈的刀刃破损严重、转动轴承坏掉、密封润滑油泄露等等情况,刀具就需要及时进行更换,因为这样会加重相邻刀具切削岩石的负荷,不仅影响TBM的正常掘进,而且还会影响到与其相邻刀具的正常使用,会造成刀具连锁性大量破损。

3.2 TBM刀具破损情况分析及处理对策

      影响TBM刀具破损的原因有许多种,在不同类型的TBM生产中,以及在不同围岩类型的隧洞掘进过程中,我们更换了大量的刀具。经过这些实际工作以后,我们对各种情况都进行了认真的分析,总结以往的经验和教训可以知道,刀具破损主要是由刀具的质量、围岩软硬程度和人工操作这三种因素所造成。根据刀具的破损情况,正确分析其产生的原因,有利于TBM操作手正确操作,避免人为因素造成刀具破损,也有利于刀具工及时发现问题,及时做出正确的处理措施。TBM刀具一般有以下几种磨损或破损情况:

      (1) 刀圈均匀磨损

      这种情况属于正常磨损,只要达到了一般的磨损尺寸,即可以进行更换。

 (2) 刀圈被磨掉一侧或者是被磨成多边形

      这主要是由于滚刀的轴承损坏,不能正常转动所致,一经发现就需要马上进行更换。

 (3) 刀圈卷刃

 主要是由于岩石较硬,TBM的掘进推力较大所造成的。有时是因为生产这批刀具的钢材质量较软,也可造成刀具卷刃情况发生。当这种情况发生以后,TBM操作手需要适当降低掘进推力和掘进速度,即可大大缓解卷刃的严重程度。另外刀具工根据实际情况,在不影响掘进的条件之下,可以等其磨损到一定程度再进行更换。

 (4) 刀圈打刃呈锯齿状

 在围岩较硬的情况之下,刀圈普遍比较容易出现打刃现象。如果刀圈钢材的质量较硬、发脆,在其切削岩石时也容易发生这种现象。当只有一个或两个滚刀出现这种情况时,一般是由于TBM操作手在某个行程的初始阶段,当滚刀与围岩接触时推进速度太快、掘进推力太大、刀具与围岩碰撞时所造成的。不管哪种情况,在刀刃掉落不太严重、不影响其切削岩石的能力时,可以继续使用,不做更换。当刀刃掉落比较严重时,一经发现就需要马上进行更换。

 (5) 刀体发热、漏油

      主要是由于刀体的内部轴承已经损坏所致。这种情况一经发现就需要马上进行更换。

 (6) 刀圈断裂、滑脱

      当TBM滚刀的刀圈断裂以后,刀圈就不能正常切削岩石,其很容易从转动轴上脱落下来,TBM的掘进推力就会明显增大,液压和电机系统的负荷加重,正常掘进会受到影响。这主要是由于刀圈安装时温度控制不好、刀圈安装得太紧,或者是TBM初始掘进速度太快、刀具与围岩剧烈碰撞所致。这种情况发生以后,需要马上对该刀具进行更换。

 (7) 刀体密封圈掉落

      这种现象主要是由于刀具在组装时安装得不太到位,以及密封圈焊接不牢所致。另外,在TBM掘进时,当刀盘转速设置得太大时也可造成这种情况的发生。当发现有密封圈掉落时,刀具工可以在刀盘内部对它们进行补装,而不需要拆卸下来进行维修。如果发现刀圈已经错位或者脱落,就需要马上对其进行更换。

      (8) 一般的损坏

      TBM的双刃刀一般情况均是因为转动轴承损坏而需要进行更换的,而且一经发现就必须马上对其进行更换,如果更换不及时,容易发生连锁反应,使4个双刃刀会同时损坏掉,损失惨重。而边刀一般因为频繁调向,瞬时受力较大且不均匀,容易将刀具磨损为多边形,这就需要TBM操作手在调整TBM掘进方向的时候,首先应当停止TBM向前推进,或者放慢掘进速度,然后再调整方向,即可有效地减缓边刀的磨损程度。

4 TBM刀具检查管理制度和刀具更换原则

      刀具工在生产实践中扮演着十分重要的角色,他们不仅仅是对TBM的机头进行日常的清理、维护、更换破损刀具和铲斗刮板,确保TBM的正常掘进,更重要的是他们的工作直接关系着TBM的使用寿命,以及工程掘进费用的多少。

      在这里将TBM刀具工在日常工作中需要特别重视的一些管理制度列出,以供同仁们参考。

      (1) TBM刀盘每天必须进行清理,一方面将依附在刀具刃口和铲斗刃口的岩土清理掉,另一方面可以检查刀盘、刀具及铲斗刮板的磨损程度。在维修时间较短、人员缺乏等特殊情况下,必须将刀具刃口及铲斗刃口对称清理、掏挖几个,以保持刀盘的运转平衡。

      (2) 每天必须检查所有刀具的固定螺丝,对松动者及时拧紧,对丝扣损坏的螺丝要及时更换。还必须检查每一个刀具的轴承是否能够转动,如果转动不畅,则必须更换该刀具总成。检查轴承时可以使用专门工具进行转动或用手试其温度,当轴承转不动或比其它刀具的温度高时,该轴承肯定坏了,必须更换这个刀具。

      (3) 边刀每天必须检查、量测,当它们的磨损程度达l0~15 mm左右时,就需要及时进行更换,否则TBM开挖出的隧洞洞径变小,会将TBM机身卡住或发生调向困难,影响TBM的正常掘进,另外也会导致铲斗刮板磨损严重。

      (4) 该更换的刀具一经发现就必须立即更换,否则该刀具削切、挤压围岩的能力降低以后,势必导致其周边相邻刀具削切、挤压围岩的负担加重,时间一长这些与之相邻的刀具也会损坏,如果恶性循环下去,许多刀具会同时一次性损坏掉,将给施工造成很大的经济损失。

      (5) 因为边刀比面刀所使用的钢材耐磨强度较高,刀刃更厚,而且价格也高,所以一般情况下两者不要混装,如果面刀装在边刀处,易损且不耐磨,寿命缩短;而边刀装在面刀处,价格明显偏高,两种情况均不经济。但更换下来的边刀可以安装到面刀的位置继续使用。面刀一般要求磨损程度达到20~25mm左右,在岩石没有磨到刀盘面以前即需要更换。

      (6) 当更换了新刀具以后,必须告知TBM操作手,在首次掘进时需放慢推进速度,使刀盘面上的刀具缓慢接触岩石。因为此时刀具边缘不在同一个平面上,新换上的刀具较突出,与掌子面围岩上旧的痕迹也不相配,推进速度较快时就会很容易将新装的刀具损坏掉。

      (7) 当铲斗刮板磨损严重时,应注意及时更换,一则有利于TBM出碴,二则可以防止磨损刀盘。如果补装不及时,铲斗刮板的底座会因磨损严重而变形,将导致补装困难,并且TBM出碴将不很通畅,驱动电机的负荷也会加重,直接影响到TBM的正常掘进。

      (8) TBM掘进时,如果发现岩石较软,可是TBM电机的电流较大而且不稳定时,可能是刀盘里的进碴口或者传送带的下料斗已经被岩碴逐渐堵住,此时需要停机进行检查和清理。在岩石含水量不大的情况下,可以用手动风镐清理;如果岩石含水量较大,可以用高压水枪进行清洗。不论是哪种情况均需要将清理出的岩碴及时转出刀盘,以防止岩碴再次沉积堵塞刀盘。

      (9) 当围岩较硬、TBM掘进较困难时,TBM操作手一定要将刀具喷水打开,一则可以除尘,二则可以使刀盘和刀具降温,从而可以延长刀具的使用寿命。另外视围岩的硬度,每掘进5~10个行程TBM操作手必须停机,让刀具工进机头里对刀具进行检查,对破损刀具进行及时更换。

      (10) 在非检修期,TBM刀具工就应当将各种使用工具、各类型刀具及各种零配件准备就绪,TBM机头一出现问题就可以马上着手处理,不至于临阵时手忙脚乱,浪费宝贵的掘进时间。