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盾构掘进机刀具选择使用与维护管理
一、盾构掘进机刀具概述
1掘进机刀具的历史变革与发展
刀具是一个很广泛的概念,在石器时代人们就尝试着利用石刀、石斧为人类服务。在现代人们的日常生活当中,人们更是广泛的利用着各种各样的刀具,在机械加工业、木工业、采矿业等工业领域,刀具都得到了很好的利用为生产发展服务。特别是在我们的隧道工程掘进施工当中,随着盾构掘进机施工技术的发展,更是为刀具的应用和发展带来了独特的发展空间,不论在什么地层条件下施工,掘进速度的快慢,施工成本的高低,都直接与刀具的选择是否得当和其性能好坏有着很大的关系和影响。因此,世界各国都非常重视盾构掘进机刀具的研究和应用,特别是在盾构掘进机施工中对各种岩层的开挖所需的刀具,各国都做了大量的研究工作,美国、日本、德国等一些工业发达国家从刀具的切削机理、切削理论计算、破岩的方式、模拟试验等方面都进行了长期的深入研究,取得了较多的成果和经验,并在不断的应用中改进和完善,形成了适用于多种地层的盾构掘进机刀具系列和品种规格。
我国对盾构掘进机刀具的开发研究始于二十世纪六十年代,经过几十年的努力和发展,也取得了较大的进步和发展,特别是从上世纪九十年代以来,我国的经济建设进入了一个高速发展的时期,整体工程技术水平有了较大提高,国内的地下空间工程、隧道工程建设大量增加,国内的盾构掘进机施工技术水平大大提升,盾构掘进机施工任务大量增加,已成为盾构掘进机的应用大国,对盾构掘进机刀具的需求量不断增加,掘进机刀具的研究和发展也取得了长足的进步,已研制出多品种、多规格、多功能且能满足于多种地层施工需要的盾构掘进机刀具,有的刀具已达到了国际同类刀具的先进水平,国产刀具正逐步替代进口刀具,迎来一个盾构掘进机刀具大发展的时代。
2 盾构掘进机刀具的分类和工作机理
2、1地层的特点
我们知道盾构掘进机刀具(以下简称刀具)是盾构掘进机施工中实施掘进的的关键部件,直接挖掘掌子面,所有的掘进施工最终都要靠刀具来完成,因此,刀具的选用是否适用于该项目地层的掘进和刀具本身质量的好坏是影响施工进度的关键因素之一。施工中各工程遇到的地层条件是千变万化的,但不管其怎样变化,其主要地质成份不外乎土层和岩层两大类或两类地层的不同组合形式。
就土层而言,是以各种沙土、粘土、胶泥等形式或者以它们的不同组合呈现在工作面,它们的硬度都比较低,强度特性较弱,比较容易破碎,一般抗压强度在30MPa以下,用刮削类刀具即可完成掘进施工。
就岩层而言,是岩石以各种不同的强度和固体形状或以它们的不同组合形式呈现在工作面,它们的强度特性较高,(常以单轴抗压强度来表达)抗压强度一般在30MPa以上,必须用滚切刀具或用滚刀和切刀的组合来完成掘进施工。常见的岩石单轴抗压强度参考值如下:
岩石种类 抗压强度(MPa) 岩石种类 抗压强度(MPa)
粗玄岩 196~343 石英片岩 69~178
辉长岩 177~294 云母片岩 59~127
闪长岩 177~294 凝灰岩 59~167
玄武岩 147~294 千枚岩 49~196
石英岩 147~294 片麻岩 49~196
花岗岩 98~245 石灰岩 29~245
流纹斑岩 98~245 砂 岩 19.6~196
大理岩 98~245 泥灰岩 12~98
板 岩 98~196 页 岩 9.8~98
白云岩 78~245 煤 4.9~49
因而在不同的地层进行掘进施工所适用的刀具是不同的,但所有的刀具也都是围绕怎样切割各种岩层和土层来进行施工的。 刀具的研发也是如此,经世界各国多年的研究和施工实践,目前盾构掘进机刀具主要分成刮削类和滚切类两大类:
2.2刮削类刀具及其切削机理
(1)刮削类刀具特点
刮削类刀具一般是通过相对滑动来切割软岩和土层的,它由刀体和刀刃两部份组成,一般用于软土层和软岩地层的开挖,有时也作为辅助刀具装在滚刀的后面使用。刀体对刀刃起支持作用,并且刀体还起到在刀盘上的安装连接作用,要求具有一定的强度和刚度。刀刃部分通常直接与工作面接触起切割岩土层的作用。俗话说好刀看刃,为了延长刀具使用寿命,刀刃部分通常采取特殊工艺处理,常堆焊或喷涂碳化钨等耐磨硬质材料或镶嵌(通过钎焊或热装)硬质合金刀片。以保证刀刃部分的锋利和耐磨性,满足切割软岩和土层的需要。
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