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硬巖隧洞掘進機(TBM)刀具的管理
2017/7/17 10:28:14

TBM盤形滾刀簡介

      硬巖TBM的盤形滾刀有三種類型,它們是邊刀(gage cutter)、面刀(face cutter)和中心雙刃滾刀(double disk or center cutter)。以美國ROBBINS公司所生產的TBM為例,滾刀的尺寸一般分19英寸(483 mm)17英寸(432 mm)兩種,直徑較大(一般大于7 m)TBM安裝l9英寸的滾刀,直徑較小(一般小于7 in)TBM安裝l7英寸的滾刀。這三種滾刀被科學地布置在刀盤面上,隨著刀盤的轉動,它們就以刀盤中心為中心被動地進行同心圓轉動。這些滾刀在強大的推進力和扭矩作用之下,通過擠壓將隧洞巖石切削下來,完成了隧洞的開挖工作。其中邊刀是按照不同的角度被安裝在刀盤的邊緣,負責隧洞輪廓的開挖工作,其刀刃較厚,更耐磨損。面刀是按照一定的比例被均勻地安裝在刀盤面上,負責隧洞掌子面巖石的開挖工作,其刀刃較薄,有利于切削巖石。中心雙刃刀是被安裝在刀盤的中心位置,負責掌子面中心巖石的開挖工作,其是由兩個面刀被特殊地并列安裝在同一個轉動軸上而得名,例如山西省的引黃人晉水利工程和遼寧省的大伙房水利工程所使用的ROBBINS硬巖TBM上就都安裝有4個這樣的雙刃刀,這4個雙刃刀在克服轉動半徑小、扭力巨大的不利情況之下,能有效地將掌子面中心處的巖石切削下來。

      這三種不同類型的滾刀總成均是由刀圈、轉動軸、軸承和密封圈組成,是由特種鋼材制造而成,它們硬度適中,具有耐磨、抗高溫的特性。這種特種鋼材是由生產廠家經過長時間大量的試驗后制造出來的,現在還屬于技術壟斷狀態,目前在我國還沒有合適的替代產品,所以它們的價格昂貴,每一個滾刀總成折合人民幣數萬元;另外刀具屬于消耗品,其消耗量在每一條隧洞的掘進中都非常大。所以加強刀具管理將有利于降低生產成本,提高生產效率。

3 TBM刀具的機械管理

      硬巖隧洞掘進機在掘進一段時間以后,刀具就會逐漸磨損變小或者破損,經TBM刀具工測量、檢查確認某些刀具不能繼續使用以后,就需要對其進行更換,否則會影響TBM的正常掘進。TBM刀具的磨損、破損情況有許多種形式,認真分析每一種破損形式可以幫助刀具工正確掌握刀具的更換時間,有利于使每個刀具發揮出最大的能量,更有利于TBM的正常掘進,對于降低生產成本、節約檢修更換時間,將起到積極的作用。

3.1 TBM刀具更換標準

      TBM刀具更換標準沒有一個固定的值,需要刀具工根據工作實際情況來判斷是否需要更換和什么時候更換。但在一般正常磨損的情況之下,當邊刀刀圈磨損掉10~15 mm左右、面刀和中心雙刃刀刀圈磨損掉20~25mm左右時就需要對它們進行更換。因為此時刀圈的刀刃變寬,其切削巖石的能力降低,TBM掘進時所需要的扭距和推力就會增大,加大了TBM液壓系統和電機系統的負荷,而且切削下來的巖石也會磨損到刀盤面,會降低TBM的使用壽命。而如果在小于上述更換標準的情況之下頻繁地進行更換,則不能發揮每一個刀圈應有的效能,也將浪費掉許多寶貴的時間。另外在非正常磨損的情況之下,如發生刀圈的刀刃破損嚴重、轉動軸承壞掉、密封潤滑油泄露等等情況,刀具就需要及時進行更換,因為這樣會加重相鄰刀具切削巖石的負荷,不僅影響TBM的正常掘進,而且還會影響到與其相鄰刀具的正常使用,會造成刀具連鎖性大量破損。

3.2 TBM刀具破損情況分析及處理對策

      影響TBM刀具破損的原因有許多種,在不同類型的TBM生產中,以及在不同圍巖類型的隧洞掘進過程中,我們更換了大量的刀具。經過這些實際工作以后,我們對各種情況都進行了認真的分析,總結以往的經驗和教訓可以知道,刀具破損主要是由刀具的質量、圍巖軟硬程度和人工操作這三種因素所造成。根據刀具的破損情況,正確分析其產生的原因,有利于TBM操作手正確操作,避免人為因素造成刀具破損,也有利于刀具工及時發現問題,及時做出正確的處理措施。TBM刀具一般有以下幾種磨損或破損情況:

      (1) 刀圈均勻磨損

      這種情況屬于正常磨損,只要達到了一般的磨損尺寸,即可以進行更換。

 (2) 刀圈被磨掉一側或者是被磨成多邊形

      這主要是由于滾刀的軸承損壞,不能正常轉動所致,一經發現就需要馬上進行更換。

 (3) 刀圈卷刃

 主要是由于巖石較硬,TBM的掘進推力較大所造成的。有時是因為生產這批刀具的鋼材質量較軟,也可造成刀具卷刃情況發生。當這種情況發生以后,TBM操作手需要適當降低掘進推力和掘進速度,即可大大緩解卷刃的嚴重程度。另外刀具工根據實際情況,在不影響掘進的條件之下,可以等其磨損到一定程度再進行更換。

 (4) 刀圈打刃呈鋸齒狀

 在圍巖較硬的情況之下,刀圈普遍比較容易出現打刃現象。如果刀圈鋼材的質量較硬、發脆,在其切削巖石時也容易發生這種現象。當只有一個或兩個滾刀出現這種情況時,一般是由于TBM操作手在某個行程的初始階段,當滾刀與圍巖接觸時推進速度太快、掘進推力太大、刀具與圍巖碰撞時所造成的。不管哪種情況,在刀刃掉落不太嚴重、不影響其切削巖石的能力時,可以繼續使用,不做更換。當刀刃掉落比較嚴重時,一經發現就需要馬上進行更換。

 (5) 刀體發熱、漏油

      主要是由于刀體的內部軸承已經損壞所致。這種情況一經發現就需要馬上進行更換。

 (6) 刀圈斷裂、滑脫

      當TBM滾刀的刀圈斷裂以后,刀圈就不能正常切削巖石,其很容易從轉動軸上脫落下來,TBM的掘進推力就會明顯增大,液壓和電機系統的負荷加重,正常掘進會受到影響。這主要是由于刀圈安裝時溫度控制不好、刀圈安裝得太緊,或者是TBM初始掘進速度太快、刀具與圍巖劇烈碰撞所致。這種情況發生以后,需要馬上對該刀具進行更換。

 (7) 刀體密封圈掉落

      這種現象主要是由于刀具在組裝時安裝得不太到位,以及密封圈焊接不牢所致。另外,在TBM掘進時,當刀盤轉速設置得太大時也可造成這種情況的發生。當發現有密封圈掉落時,刀具工可以在刀盤內部對它們進行補裝,而不需要拆卸下來進行維修。如果發現刀圈已經錯位或者脫落,就需要馬上對其進行更換。

      (8) 一般的損壞

      TBM的雙刃刀一般情況均是因為轉動軸承損壞而需要進行更換的,而且一經發現就必須馬上對其進行更換,如果更換不及時,容易發生連鎖反應,使4個雙刃刀會同時損壞掉,損失慘重。而邊刀一般因為頻繁調向,瞬時受力較大且不均勻,容易將刀具磨損為多邊形,這就需要TBM操作手在調整TBM掘進方向的時候,首先應當停止TBM向前推進,或者放慢掘進速度,然后再調整方向,即可有效地減緩邊刀的磨損程度。

4 TBM刀具檢查管理制度和刀具更換原則

      刀具工在生產實踐中扮演著十分重要的角色,他們不僅僅是對TBM的機頭進行日常的清理、維護、更換破損刀具和鏟斗刮板,確保TBM的正常掘進,更重要的是他們的工作直接關系著TBM的使用壽命,以及工程掘進費用的多少。

      在這里將TBM刀具工在日常工作中需要特別重視的一些管理制度列出,以供同仁們參考。

      (1) TBM刀盤每天必須進行清理,一方面將依附在刀具刃口和鏟斗刃口的巖土清理掉,另一方面可以檢查刀盤、刀具及鏟斗刮板的磨損程度。在維修時間較短、人員缺乏等特殊情況下,必須將刀具刃口及鏟斗刃口對稱清理、掏挖幾個,以保持刀盤的運轉平衡。

      (2) 每天必須檢查所有刀具的固定螺絲,對松動者及時擰緊,對絲扣損壞的螺絲要及時更換?;貢匭爰觳槊懇桓齙毒叩鬧岢惺欠衲芄蛔?,如果轉動不暢,則必須更換該刀具總成。檢查軸承時可以使用專門工具進行轉動或用手試其溫度,當軸承轉不動或比其它刀具的溫度高時,該軸承肯定壞了,必須更換這個刀具。

      (3) 邊刀每天必須檢查、量測,當它們的磨損程度達l0~15 mm左右時,就需要及時進行更換,否則TBM開挖出的隧洞洞徑變小,會將TBM機身卡住或發生調向困難,影響TBM的正常掘進,另外也會導致鏟斗刮板磨損嚴重。

      (4) 該更換的刀具一經發現就必須立即更換,否則該刀具削切、擠壓圍巖的能力降低以后,勢必導致其周邊相鄰刀具削切、擠壓圍巖的負擔加重,時間一長這些與之相鄰的刀具也會損壞,如果惡性循環下去,許多刀具會同時一次性損壞掉,將給施工造成很大的經濟損失。

      (5) 因為邊刀比面刀所使用的鋼材耐磨強度較高,刀刃更厚,而且價格也高,所以一般情況下兩者不要混裝,如果面刀裝在邊刀處,易損且不耐磨,壽命縮短;而邊刀裝在面刀處,價格明顯偏高,兩種情況均不經濟。但更換下來的邊刀可以安裝到面刀的位置繼續使用。面刀一般要求磨損程度達到20~25mm左右,在巖石沒有磨到刀盤面以前即需要更換。

      (6) 當更換了新刀具以后,必須告知TBM操作手,在首次掘進時需放慢推進速度,使刀盤面上的刀具緩慢接觸巖石。因為此時刀具邊緣不在同一個平面上,新換上的刀具較突出,與掌子面圍巖上舊的痕跡也不相配,推進速度較快時就會很容易將新裝的刀具損壞掉。

      (7) 當鏟斗刮板磨損嚴重時,應注意及時更換,一則有利于TBM出碴,二則可以防止磨損刀盤。如果補裝不及時,鏟斗刮板的底座會因磨損嚴重而變形,將導致補裝困難,并且TBM出碴將不很通暢,驅動電機的負荷也會加重,直接影響到TBM的正常掘進。

      (8) TBM掘進時,如果發現巖石較軟,可是TBM電機的電流較大而且不穩定時,可能是刀盤里的進碴口或者傳送帶的下料斗已經被巖碴逐漸堵住,此時需要?;屑觳楹頹謇?。在巖石含水量不大的情況下,可以用手動風鎬清理;如果巖石含水量較大,可以用高壓水槍進行清洗。不論是哪種情況均需要將清理出的巖碴及時轉出刀盤,以防止巖碴再次沉積堵塞刀盤。

      (9) 當圍巖較硬、TBM掘進較困難時,TBM操作手一定要將刀具噴水打開,一則可以除塵,二則可以使刀盤和刀具降溫,從而可以延長刀具的使用壽命。另外視圍巖的硬度,每掘進5~10個行程TBM操作手必須?;?,讓刀具工進機頭里對刀具進行檢查,對破損刀具進行及時更換。

      (10) 在非檢修期,TBM刀具工就應當將各種使用工具、各類型刀具及各種零配件準備就緒,TBM機頭一出現問題就可以馬上著手處理,不至于臨陣時手忙腳亂,浪費寶貴的掘進時間。