北京地区盾构机刀具失效分析及再制造研究

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第 19 卷 第 3 期 44 2006 年 6 月中国表面工程CHINA SURFACE ENGINEERING 中 国 表 面 工 程Vol.19 No.3 June. 2006 年 2006北京地区盾构机刀具失效分析及再制造研究蒋建敏 1，赵学彬 1，贺定勇 1，韩文政 2，邹积波 3（1. 北京工业大学 材料科学与工程学院, 北京 100022； 2. 装甲兵工程学院, 北京 100072； 3. 北京城建盾构基础 工程公司, 北京 100029）摘要：根据北京地区地层中含有大量砂卵石的特点，对盾构机刀具进行了失效分析，发现其失效原因主要是冲击和高应力磨粒磨损。针对盾构机刀具的再制造，开发了一种堆焊药芯焊丝 DG7。再制造刀具的刃口堆焊层无裂纹，硬度 为 50～55 HRC，冲击后硬度为 55～60 HRC。再制造刀具的寿命高于进口刀具。关键词：盾构机刀具；失效分析；药芯焊丝；堆焊 中图分类号：TG47，TG71 文献标识码：A 文章编号：10079289(2006)03004403Failure Analysis and Reproducing of Shield Machine’s Cutter in Beijing RegionJIANG Jian-min1, ZHAO Xue-bin1, HE Ding-yong1, HAN Wen-zheng2, ZOU Ji-bo3 （1. Beijing University of Technology, Beijing 100022；2 The Institute of Armoured Force Engineering, Beijing 100072; 3 Beijing City Construction Shield Basic Engineering Corporation, Beijing 100029） Abstract: Constructing subway by shield method is an important way to solve the heavy city’s traffic at present. This paper analysed the shield machine cutter’s failure based on the geology in Beijing region,which is full of grit and scree. It was found that the shield machine cutter’s failure was caused by high stress, impact and grain-abrasion. A hardfacing flux-cored wire named DG7 was developed to repair and reproduce the cutter. There was no crack in the deposited metal on the reproducing cutter’s cutting edge. The deposited metal’s hardness was 50～55 HRC and became 55～60 HRC after impact. The reproducing cutter’s service life was longer than that of the imported cutter. Key words: shield machine cutting tool; failure analysis; flux-cored wire; hardfacing0引言究。周边刀（见图 2）的刀体是德国产钢号为 St52– 3 的钢材[2]，其性能相当于国产的低碳钢 Q235。刃 口为堆焊层，堆焊层内钎焊有球齿，球齿材料为硬 质合金。盾构法是利用盾构机在地面以下暗挖隧道的 一种施工方法。但是盾构施工在开仓修复、更换刀 具时，不仅耗资、耗时巨大，而且容易造成地表塌 陷等事故，因此必须尽量延长刀具寿命，减少开仓 次数。随着北京地区地铁建设的全面展开，刀具作 为盾构机的主要损耗件之一，全部依赖进口，不但 造价昂贵，而且运输耗时、耗资，对地铁施工的进 程造成了很大的影响。因此开展盾构机刀具的修复 再使用研究，进而实现国产化就显得尤为必要。 盾构机刀盘形式按照工程地质条件和施工控 制要求，可分为面板式和辐条式。北京地区目前地 铁隧道施工中应用的是辐条式[1,2]，见图 1。文中主 要是针对盾构机周边刀失效及其修复再制造进行收稿日期：20060411；修回日期：20060425 作者简介：蒋建敏(1956–)，男(回)，沈阳市人，副教授，硕士。刮刀 中心刀周边刀刀盘图1辐条式盾构机刀盘示意图Fig.1 Scheme of shield machine’s spokewise cutting head1盾构机刀具的失效分析北京地铁五号线盾构试验段属于砂卵石地层，沙砾含量大，见图 3。地层中石英含量高达 45 %以 上，石英沙是“很好”的磨料，使刀具磨损速度加

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第3期蒋建敏等：北京地区盾构机刀具失效分析及再制造研究45析，可知在砂卵石地层施工中，盾构机刀具主要的失 效形式为：冲击破坏、犁沟式磨粒磨损和碾压磨损。a b图2 Fig.2盾构机周边刀Shield machine’s circumambient cutter 图 5 周边刀刃口坡口内侧磨损形貌 （a） 及局部放大图 （b） Fig.5 picture 表1 characteristics 刀具 内侧本体 部位 磨损 犁沟式磨 性质 粒磨损 强度 较弱 等级 盾构刀具磨损特性分类表 (a)Worn surface of the inner groove on the circumambient cutter’s cutting edge, (b) the local enlarged快。如北京地铁五号线盾构试验段雍和宫站至张自 忠站左线 1 510 m 为砂卵石及粘土混合地层，掘进 过程中更换了 5 批刀具。Table 1 Classification of shield machine’s cutter abrasion外侧本体 犁沟磨损 +碾压磨损 很强外侧球齿 犁沟磨损 +塌陷 很强刃口 冲击 磨损 很强图3 Fig.3 construction地铁五号线盾构试验段砂卵石地层渣土Physiognomy of the Fifth-line testing subway shield2刀具原位再制造的施焊工艺要求盾构机刀具修复时施焊条件苛刻：现场无法进行焊前预热和焊后热处理，且通风条件差、施焊空 间狭小，这就对施焊方法和工艺提出了很高的要 求。据此，开发的堆焊材料为直径 1.6 mm 的药芯图4 Fig.4 周边刀掘进 70 m 的磨损情况焊丝，选择了设备、工艺简便的 CO2 气体保护堆焊 方法。Worn appearance of circumambient cutter shieldmachine after 70 meters of driving3堆焊药芯焊丝的成分及堆焊层金属组织由盾构机刀具的工况可知，刀具既要具备较高盾构机刀盘直径为 6.2 m，转速为 0～3 r/min， 通常为 1.5 r/min，刀盘最外边刀具切削线速度最大 可达 1 m/s， 平均为 0.5 m/s[3]。 周边刀受到很大的冲 击力。盾构试验段刀具磨损和折断严重，见图 4。 可以看到，盾构刀具的刃口部位镶嵌的硬质合金刀 片存在不同程度的折断破坏，即所谓“崩刃” ；对 于硬质合金刀片，由于硬度很高，相对韧性较差， 冲击断裂是其主要的失效形式。刃口部位的斜坡 （内侧）为典型的犁沟式磨损（见图 5） 。 刀具磨损情况可归纳为表 1 所示特征。 通过对进口刀具在砂卵石地层的磨损特点分的硬度以抵御高应力的磨粒磨损，又要有足够的韧 性来吸收砂卵石的冲击。 所以选择 Fe–Cr–Ni–Mn–Si 等元素组成的合金系设计了堆焊药芯焊丝 DG7。 它 可以保证在焊前无需预热、焊后不必热处理的条件 下，使得堆焊层焊后无裂纹，硬度为 52 HRC，经 3.5 kg 铅球由 1 m 高度自由落体冲击 10 次后， 硬度 可达 57 HRC。药芯焊丝熔敷金属的主要成分范围 见表 2。 堆焊层冲击前后的组织见图 6。冲击后堆焊层 的组织得到一定的细化，马氏体组织明显增加。

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46 表2C 0.1～0.3中国表面工程2006 年堆焊药芯焊丝熔敷金属主要成分(质量分数%)Cr 5～10 Ni 1～3 Si <1 Mn 0.5～2 Mo <0.5 Fe 余量Table 2 Main composition of flux-cored wire deposit metala Fig.8图8进口周边刀掘进 350 m 磨损情况Worn appearance of imported circumambient cutterafter driving 350 meters5b结(1)论盾构机刀具在砂卵石地层施工中，主要的失效形式为： 冲击破坏、 犁沟式磨料磨损和碾压磨损。 (2) DG7 的堆焊层焊态硬度为 50～55 HRC， 堆焊层焊后无裂纹。经冲击后硬度可达 55～60 HRC。通过调整焊接工艺，使用该焊丝制备盾构机图 6 3.5 kg 铅球 1m 自由落体冲击 10 次前(a)后(b)的组织 Fig.6 Microstructure before (a) and after (b) impact of ten times by 3.5 kg shot from 1 meter hight (%)刀具，可实现焊前不预热、焊后不用热处理， …… 此处隐藏：3400字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……