盾构刀具常见失效形式及原因分析

一、刀具的磨损规律

盾构机在向前推进时，推进油缸必须提供足够大的推力才能保证盾构前移。推进油缸的推力通过刀盘作用到地层，刀盘旋转时刀具正对地层的部分与地层之间将产生很大的摩擦力，磨料磨损是刀具正对地层部分的主要磨损形式。

刀具的磨损一般是由内向外呈逐渐增大的趋势，由于刀盘上刀具公转的角速度是相同的，但各刀具所在的半径不同，就使得各把刀具线速度不同，在相同时间内外部刀具所走过的行程就多，切削的任务量就重，磨损的速度也就相应增加。但到边刀部位，由于刀尖距加密，每把刀的破岩工作量相应减少，磨损的速率也相应降低。刀盘旋转时中心点和边缘位置的线速度的差异，刀盘旋转一圈，安装在距刀盘中心点3m位置的刀具是安装在距中心点lm位置的刀具所通过路程的3倍，从理论上讲在相同的工况下，lm位置上的刀具的寿命应是3m位置上的3倍。

二、刀具常见失效形式

1.刀具正常磨损

滚刀在进行掘进时,掘进进尺速度与其刃口宽度有关。随着滚刀刀圈磨损量的增加，刃口宽度随之增加，达到一定范围时会影响掘进速度，由于受到刀圈加工工艺的限制，而且新装刀圈与齿刀之间有一定的高差（各刀盘设计的高差值不同），所以当正滚刀与中心刀最大磨损量为达到与齿刀规定的高差时为正常磨损，而边缘滚刀则因隧道直径差及所处位置的要求，其磨损极限一般为15mm。正常磨损是刀具失效的主要形式，其磨损形状为在刃口宽度范围内磨损较均匀，不偏磨、不弦磨。

2.刀圈断裂

滚刀在沙卵石不均匀地层施工时，滚刀不易实现纯滚动，造成滚刀时转时不转现象，容易发生刀圈冲击使刀圈断裂；掘进过程中，由于地层突然变硬或刀盘某些部件脱落或其他铁件卡在刀刃与地层之间，会导致刀圈局部过载而使刀圈应力集中发生断裂，同时刀圈与刀体配合过盈量未达到要求也会造成刀圈断裂。

3.轴承损坏

施工过程中，有时会发现刀圈被磨成一条或几条弦，称之为偏磨。这主要是由于刀具轴承损坏不能灵活转动造成的；在掘进过程中刀具出现偏磨而未及时发现是非常危险的，一把刀由于偏磨而失效会造成相邻两把刀过载而失效，从而迅速向外扩展，直至整个刀盘上的刀具全部失效，另外滚刀启动扭矩过大也容易造成滚刀时转时不转现象，使刀圈发生偏磨，所以在掘进过程中应及时观察出碴情况，一旦出现长而宽的石碴时，应立即停机检查。造成轴承损坏的原因主要是由于轴承过载或刀盘冷却系统不良而使轴承过热抱死，或因刀具密封损坏漏油而未及时发现，造成轴承润滑不良损坏也会使刀圈偏磨而失效。

4.刀具漏油

绝大多数漏油刀具的轴承因无法润滑而失效，轴承外圈大多已点蚀成麻面或发蓝，同时刀具的浮动密封已失效，极个别的刀具为注油孔漏油。引起漏油的原因主要有以下几方面：

 (1） 由于岩石条件急剧变化(多为较发育的破碎岩层)或换刀不合理(相邻刀具的磨损量相差较多)，造成个别刀具过载，使刀具轴承的承载面点蚀剥落，剥落的金属碎片及颗粒使密封失效。

(2）由于刀盘冷却系统不良而使轴承及润滑油温度过高，浮动密封面烧伤使密封失效。

(3）强度较高的大石块或崩断的正面齿刀、边缘刮刀刀齿挤卡在刀具端盖密封处，使其受挤压变形引起滑动密封失效。

(4）刀具轴承及浮动密封的寿命已达极限。

(5）刀具在装配或修理过程中刀具内混有杂物引起浮动密封面划伤失效。

根据硬岩（TBM）的施工经验，刀具密封失效导致刀具损坏约占70%。刀具密封损坏与刀具的装配、刀具密封的耐压、耐高温能力有关。一般盘形滚刀密封能承受的最高温度为80℃，能承受的最高水压和气压能达到 0．8MPa。

5.刀圈剥落

由于刀圈在滚切岩石过程中，刀圈受力较大，刀圈表面掉落整块的碎片，而整个刀圈没有断裂，称为“刀圈剥落”。刀圈剥落是由于刀圈表面产生疲劳裂纹，逐步扩展导致微观断裂，因磨损而剥落。如果剥落块较小，一般不影响刀具的正常运转。                                                  

6、刀具安装螺栓松脱、断裂或挡圈断裂或脱落                                                                              

由于在掘进施工过程中破碎岩石的力量较大，特别是在硬岩掘进时更大，震动也比较厉害,常会引起刀具连接螺栓松脱、断裂，引起刀具损坏以致无法掘进。刀具安装螺栓松脱、断裂会造成刀具掉刀和打刀。挡圈用于避免刀圈沿轴线方向的平行位移。如果挡圈断裂或脱落会引起刀圈位移和严重损坏。

三、刀具异常磨损的预防措施

1.合理选择掘进推力。根据滚刀的数量和每把刀可以承受的最大径向力可以算出刀盘最大承受力，再加上土压反力、摩擦力、后配套拖力及尾刷阻力就可以算出作用在油缸上的最大推力，因此可以通过控制这个最大推力来防止刀具过载。

2.合理控制贯入度根据盾构机贯入度计算方法Pe=V/n，贯入度越大则刀具受力越大，在100Mpa以上的岩石地层掘进时贯入度不大于4mm。软岩掘进时贯入度建议不大于25mm。

3.及时更换保护刀具及损坏刀具。个别滚刀损坏可能导致周边刀具的连带损坏，因此在条件充许的情况下及时检查和更换损坏的滚刀，安装过渡刀时相临刀具高差不大于5mm。同时要及时更换切削刀具。

4.确保碴土改良效果确保添加剂的加入效果，保证碴土流动性，可以有效的防止泥饼产生，减少刀具被泥饼抱住的危险。

（来源：盾构TBM专家交流网）