土压平衡盾构机刀具的布置

刘春光，刘晶，高伟贤

（沈阳重型机械集团有限责任公司盾构机分公司，辽宁沈阳110000）

就任何形式的盾构机来说，刀具的布置必须以均布为原则。因为刀盘的旋转动作要靠主轴承内圈的旋转来实现，主轴承内圈依靠布置在刀盘上的刀具压在切削面上，由电动机驱动旋转掘进。在盾构机正常掘进过程中，主轴承所承受的力主要有轴向力、径向力和振动冲击力。在地质的影响下，轴向力和振动冲击力具有不稳定性，因此，刀具均布可以避免切削面倾斜、保证主轴承受力平衡，避免过大振动冲击，防止主轴承偏心或内部结构因受力不均而产生变形、磨损等故障，从而避免更加严重的破坏性失效致使整个盾构机瘫痪。

1 刀具的选择原则

国内土压平衡盾构机市场，挖掘直径以6.28m的为主。为保证挖掘效率，刀具以滚刀和刮刀为主。滚刀如图1所示，其内部带有轴承，刀具随着刀盘的旋转可以在切削面上滚动，并依靠刀刃挤压岩石或硬土达到破碎的目的。刮刀如图2所示，固定在辐条两侧，依靠刀刃上的硬质合金实现切削。一般滚刀高出刮刀20～35mm为宜，起到先一步压碎岩石的作用，即在岩石或者硬土上划出一道道裂隙。刮刀在其后可将碎裂的岩石刮下并带至开口部位。

由于地质构造不同，许多土层的土质与岩石或者硬土相比较，黏度较大，强度较低，此时使用滚刀，经常会出现糊刀的现象。轻则导致滚刀无法滚动，造成局部磨损过大；重则导致刀盘旋转困难或糊死，损坏主驱动系统。另外，附加的清理维修会延误工期，大大降低挖掘效率[1]。因此，对于开挖黏性较大的地质，往往采用撕裂刀代替滚刀。撕裂刀一般由4根立齿组成，以撕裂刀的切削力代替滚刀的压迫力实现破碎，其结构简单，成本相对滚刀低。撕裂刀装在滚刀刀座上，这样，在混合地质中可以方便地在同一个刀座上实现2种刀具的互换。

图1 滚刀

图2 刮刀

在设计刀具高度时应该考虑刀具高出刀盘面的尺寸，适度增大可以防止糊刀或泥饼的形成。但刀具高度过大会加大相应的力矩，有断刀的危险。总之，为保证主轴承的稳定及挖掘效率，每种刀具必须按照各自的轨迹均匀布置在整个挖掘面上[2]。

2 刀具的布置原则

刀具的布置如图3所示，结构见图4。刀具布置不但要考虑刀具的种类，而且还要考虑整个刀盘面不同半径的运动特性和结构特性。因为盾构机的挖掘直径很大，不同的挖掘直径，由于其不同的线速度、空间结构及其与开挖物料之间的作用，使得挖掘效果不同。

图3 刀具的布置

图4 刀具的结构

刀盘正常工作转速为0.9～1.2r/min，刀盘表面越靠近刀盘中心的位置线速度越低，中心处基本为零。在物料流动性较差的环境下，为避免开挖黏性物料时发生堵塞，刀盘中部开口率要大，同时避免开挖物料从刀盘表面中央至结构开口之间通过的距离过大而增加磨损。刀盘中心的几何尺寸是非常小的，因此刀盘中心只设置单排中心滚刀，间距控制在84mm左右为宜。若用撕裂刀代替滚刀，则设置中心撕裂刀或者燕尾刀，燕尾刀通常设计为突出刀盘面一定尺寸，在挖掘软土层时，可有效地防止糊刀。

刀盘表面半径方向上的滚刀分布以100 mm左右的轨迹间距为原则，平均分配各滚刀在辐条上的位置。若开挖物料的黏性大，硬度低，可适当增大轨迹间距；若开挖物料的黏性小，硬度高，可适当减小轨迹间距。刀盘表面周边上的线速度最大，空间结构最富裕，运动也最不稳定，滚刀分布应相对密集，以提高挖掘效率，并确保主轴承的稳定性。因此，一般在各幅板上加设滚刀，以轨迹间距随半径增大而递减为原则，平均分配各滚刀在辐条和辐板上的位置。图5所示为滚刀（撕裂刀）的轨迹图。

图5 滚刀（撕裂刀）的布置及轨迹

2.1 刮刀的布置

2.1.1 刮刀的数量

对于滚刀，每条轨迹只分配一把刀，即可实现其破土的功效。刮刀必须使用标准刮刀，刀刃宽120mm，为提高挖掘效率，每条轨迹可布置多把刀。当然，刀具过少会直接影响挖掘的效率及主轴承的稳定性。但刀具的数量并不是衡量挖掘效果的重要指标，过多的刀具会加大主轴承的负担，也会增大糊刀的可能性。

2.1.2 刮刀的轨迹

在布置刮刀的时候要注意它与滚刀的功能是不同的，滚刀起到先导的作用，而布置在开口处的刮刀起到的是全面清除的作用。所以，单把刮刀的切削轨迹应该是一个环面，所有刮刀的切削轨迹必须覆盖整个开挖面。

刮刀的具体布置较为简单。在刀盘的中心部位，布置在单边辐条上或者由燕尾刀代替其功能，每条轨迹布置一把刀即可。此处刮刀的并排布置，保证了轨迹的紧密联接。对于刮刀在刀盘半径方向上的布置，每条轨迹上应布置辐条数量一半的刮刀。即：若有6根辐条，则每条轨迹布置3把刮刀；若有8根辐条，则每条轨迹布置4把刮刀。这样能够保证开挖物料在刮刀的作用下顺利通过刀盘开口进入开挖仓，既不会给主轴承带来过大的负担，也能够保证挖掘效率。由于刮刀有一定宽度，所以刮刀的轨迹具有相同的宽度。此处刮刀没有并排布置，要求相邻的刮刀轨迹之间必须有重叠量，以保证轨迹覆盖的全面性。另外，在刀盘的周边布置周边刮刀，应分配在每根辐条上。此处较宽的范围内只有一条轨迹，且该轨迹上有和辐条同等数量的刮刀，能够适应刀盘周边相对复杂的挖掘环境，稳定主轴承，保证挖掘效率。

2.1.3 装配角度

从刀具结构上来说，滚刀和撕裂刀的刀刃是一个点，切削轨迹为一个圆环，因此，刀具布置在切削方向与旋转半径相切的位置即可。而刮刀的刀刃是一条线，切削轨迹为一个圆环面。因此，为了使刀刃面的切削方向尽量与旋转半径相切，需要注意刮刀在辐条上的装配角度，如图6所示。以典型的开挖直径为6.28m的土压平衡盾构机为例：1200mm半径以下刮刀角度为25°，1200～1600 mm半径内刮刀角度为20°，1600～2000 mm半径内刮刀角度为15°，2000～2400 mm半径内刮刀角度为10°，2400mm半径以上刮刀角度为5°。

图6 刮刀的装配角度

2.1.4 刮刀的双向性布置

对土压平衡盾构机，刀盘的旋转多设计为双向的。而刮刀因其结构特点，整个刀刃面对一个切削方向，只能实现一个方向的切削，因此需要在辐条两侧布置对称的刮刀。于是，整个刀盘布置的雏形基本形成。

2.2 其他刀具的布置

为了稳定刀盘的开挖直径，在刀盘的圆周外壁，均匀布置一种辅助刀具，即周边保护刀。周边保护刀具有配合周边刮刀、规范开挖直径的作用。

在实际工程中，由于各种条件的限制，往往不能规划出笔直的隧道路线，因此，隧道的施工必须考虑到盾构机转弯的需要。而盾构机转弯的时候需要转弯半径处有一定的自由空间，于是，土压平衡盾构机刀盘上至少都会配备一把扩挖刀。扩挖刀在刀盘最大半径处，由独立的液压缸驱动，可以自由伸缩。当盾构机进入转弯阶段，刀盘旋转使扩挖刀转至需要扩挖的半径处，适时增加扩挖半径，创造可使盾构机偏转的空间。若地质条件适宜，扩挖刀也可以为临时换刀扩挖一定的空间，提供给操作者适宜的工作空间。

3 结论

以上设计思路已应用到土压平衡盾构机刀具布置的设计当中。经过多年的实际检验，对于不同开挖直径的刀盘，也可以依据以上布置原则进行扩展。硬岩和泥水盾构机的刀盘，也可以借鉴此经验。

综上所述，刀具在刀盘表面的布置必须讲究实用性，以实现盾构机整体功能为前提，寻找解决问题的最佳配置；以地质研究为基础，结合刀盘的结构特性和运动特性以及刀具的使用特性等多种因素，选择合适的刀具，设计合适的轨迹，才能确定出实用的刀具布置，为每个项目量身定做最合适的刀盘。

[1]蒋建敏，赵学彬，贺定勇等.北京地区盾构机刀具失效分析及制造研究[J].中国表面工程，2006（3）：44-46.

[2]张明富.土压平衡盾构掘进刀具动态磨损研究[D]北京：北京交通大学，2007.