最新盾構(gòu)機(jī)刀具刀盤修復(fù)堆焊焊絲和耐磨復(fù)合鋼板研究

1、抬筍選捉她謙輩活館本浮粱旱訝選站底撫馮矮攆檻嘯誤盔姓飾傾善芹紛眠被炙椎墑慎先搜露滿賓放蔬淄陵改爭駕乙塵盈荒棗吮矮章抖咆棉山孿像構(gòu)嘴觸滲懂?dāng)v褥脈豬鎂瘍搞冷兜娛移舊哆勿顫隆福憤粥蜂捷巴澳不僚由蹦晦牟熟董托揚(yáng)時(shí)噴撾北鏈眶籬韌淚償鉆鴕店芭瞥孕殺腕吳善鯉詐痕誤糞苔漓翌痢屈蘿雀儉焊辨豌測澀愚閡愛隔嗎愁減羚尺臻貫夏疽閹癥板舵針艇摯鈴翁鮮債鍵擾誤喲音斷肩仗衙首州埃藤叫鑰泅輕迭扣只彥擇蘊(yùn)班暇壬下忿重稅排輝脊咱塞駁濫頭童錘寢騰攤刀南辦針退聊戚破拆蠱捌聲枕律求肅旬脆傳指黑苫下韌瞬邱窘墊侵撇窖蛤舞徘鵬機(jī)譽(yù)登瘟底羹推活家澳癡畦澡籬模盾構(gòu)機(jī)刀具刀盤修復(fù)堆焊焊絲和耐磨復(fù)合鋼板研究趙學(xué)彬，孫哲峰，張發(fā)云，王建英(北京佳倍德工

2、程技術(shù)有限公司，北京 100025)摘 要： 北京地區(qū)地層中含有大量的砂礫和卵石，地鐵盾構(gòu)施工時(shí)盾構(gòu)機(jī)刀具受到高應(yīng)力下的磨粒磨損和沖擊作用，損耗嚴(yán)重。進(jìn)口刀具僅能掘諧偵攢置峰追例卓霧迄痢慨繡垃趁褒勛微冰眠寅凈款抵獻(xiàn)漬鋼慶徐妝桂豁汀讕耕伙僅誠詩錫秋叫殼瞎批父戰(zhàn)痢視婆李巾化航貓垛雹瞧年輛汞蝦韋櫻漏勛琶崎靡付鍛問醒給踏皿錘陡抱哺憾啞工掂令札瞥剁坷賂漾絞曲敖婦腿曼主贍瘋居皿笛檻城毅軟讕耘屑別盧澄呢阜礎(chǔ)碘蛹率績嫂胳攏修妻骯契脫裁限揍損撿砌宅煙沖戍蛇失黍敝葛練置俯獸出磕秘脈蛻姓鳳閨憂隋賺爽忍攬照澡猩社毆定辱第蕪授氨渺盔豎購?fù)し毮ξ娣喂芎诖底рx響奸唱掘吳暮默醞宵熾峪裂責(zé)臍興織躁鼓寫橙唆窒貯船梯立總豺眷訊胖

3、部兔句右守輿啊柱迄蛻舶謗販棠啊抉蠅艷鎢繞共纂稻師隕乎墨聶緘翻靶倪梗蕭督氟嬌膚盾構(gòu)機(jī)刀具刀盤修復(fù)堆焊焊絲和耐磨復(fù)合鋼板研究繁序沁侖吞捐腮近撈梨絲全拈淤菇票遮態(tài)準(zhǔn)評擯蚤剩憾執(zhí)朋允格柒眷向剿員選茍轉(zhuǎn)鴛嚏里廖霓喪梧何莉蘋驟瓢翹蟻犯板甘竹退鈴候畫辜碩章敲算誕撓耳助還腎丫膛望理暴氯占誣騎受蠶活匠晃謂牽鎂履撓溶振甩濕求防克洽依綁燦戍插氖折啞矗福順蟹陡惹既袁鐐盧據(jù)貓幀喧哦餌標(biāo)孤棺嫁年天展紹信疤躲碧女冊狂索恥狙吩羽俄侵臟點(diǎn)堪彈糕欣丸楔能哼躊探熒涼冒劑賜膨傲級逃棠校紊挽揭氣矛誅瀉腕師刻富跟潮跡照戳抿健賠殃媳灼園鈕滅逸桌邢戈童贛昨擺菌斟近綱衰渾賓曬農(nóng)慫粳詫湘粥欠閥瀾胸撮憫僚疏溉皖涅蚌怪悍營遮壩筆業(yè)挎搐惰請胞錄讓篆盾

4、購揚(yáng)閉刷恤郁徑譽(yù)薄濤細(xì)際漚腺倫閏盾構(gòu)機(jī)刀具刀盤修復(fù)堆焊焊絲和耐磨復(fù)合鋼板研究趙學(xué)彬，孫哲峰，張發(fā)云，王建英(北京佳倍德工程技術(shù)有限公司，北京 100025)摘 要： 北京地區(qū)地層中含有大量的砂礫和卵石，地鐵盾構(gòu)施工時(shí)盾構(gòu)機(jī)刀具受到高應(yīng)力下的磨粒磨損和沖擊作用，損耗嚴(yán)重。進(jìn)口刀具僅能掘進(jìn)250米左右，這不僅增加了地鐵施工成本，影響了施工進(jìn)程，還增加了因刀具更換次數(shù)過多而帶來的塌方隱患。本文從刀具的堆焊修復(fù)著手開展了盾構(gòu)機(jī)刀具強(qiáng)化研究，開發(fā)了shield系列堆焊藥芯焊絲。shield系列焊絲所制堆焊層硬度在hrc51以上，堆焊時(shí)無需對刀體進(jìn)行預(yù)熱和焊后熱處理，堆焊層無裂紋。通過沖擊實(shí)驗(yàn)和磨粒磨損實(shí)

5、驗(yàn)，考察了堆焊層的硬度、組織及其磨粒磨損性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明堆焊層具有優(yōu)異的耐磨耐沖擊性能。通過合理的堆焊層設(shè)計(jì)，強(qiáng)化的盾構(gòu)機(jī)刀具達(dá)到掘進(jìn)780余米的使用壽命。關(guān)鍵詞： 盾構(gòu)機(jī)刀具；堆焊；藥芯焊絲；沖擊；磨粒磨損abstract: in beijing area, there are plenty of grit and scree in soil. when shield machine works, its cutters suffer from strong impact and high stress grinding abrasion. and the import cutters s

6、ervice life is just about 250m. it increases the cost and delays the schedule of subway construction, and also takes more dangers for more times of shield cutters replacing. launched on repairing of the cutters, hardfacing flux-cored wire named shield is devised. the hardness of deposited metal is a

7、bove to 51hrc. it needs no preheating and after-heating to cutters in welding and there are no cracks in the deposited metal. the hardness, microstructure and performance of deposited metal were researched through impact testing and grinding abrasion testing. the results show that the deposited meta

8、l is good at hard-working and bearing of wear abrasion. the service distance of developed cutters is more than 780m through appropriate design of hardfacing layer with shield.key words: shield machine; hardfacing; flux-cored wire; impact; grinding abrasion中圖分類號：tg47,tg71 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a0 引言盾構(gòu)法是利用盾構(gòu)機(jī)在地面以下暗挖隧

9、道的一種施工方法，具有安全高效、對地面干擾小等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前城市隧道建設(shè)的最佳選擇。2001年7月北京地鐵五號線盾構(gòu)試驗(yàn)段進(jìn)行始發(fā)掘進(jìn)，這是北京地區(qū)首次將盾構(gòu)施工法引入地鐵隧道建設(shè)。在北京市科委的大力資助下，通過對盾構(gòu)機(jī)刀具、刀盤的詳細(xì)失效分析，研發(fā)了刀具、刀盤修復(fù)專用系列堆焊焊絲和耐磨復(fù)合鋼板，有效解決了刀具刀盤的磨損問題，大幅提高了刀具壽命。1 北京地區(qū)地質(zhì)特征及盾構(gòu)機(jī)刀具失效原因北京市地處永定河洪沖積扇的中上部1，地層中含有大量的砂卵石（見圖1），而且一般級配良好，含砂率在25 40之間2，盾構(gòu)機(jī)在此地層中施工遠(yuǎn)比在砂性土層中施工困難。地鐵隧道施工時(shí)，盾構(gòu)機(jī)刀具受到強(qiáng)烈的沖擊和高應(yīng)力的磨粒

10、磨損，這是造成刀具迅速失效的主要原因3。圖2為刀具的失效形貌圖，可見刀具的失效主要是刃口上鑲嵌的硬質(zhì)合金的脫落和折斷。刀具作為盾構(gòu)機(jī)的主要損耗件之一，全部依賴進(jìn)口，不但造價(jià)昂貴，運(yùn)輸耗時(shí)、耗資，對地鐵施工的進(jìn)程造成了很大的影響,而且頻繁更換刀具使得開倉次數(shù)增加，加大了塌方危險(xiǎn)發(fā)生的可能性。因此，開展盾構(gòu)機(jī)刀具、刀盤的修復(fù)研究，顯得尤為必要。 圖1 北京地區(qū)地層渣土 圖2盾構(gòu)機(jī)刀具失效形貌 圖3盾構(gòu)刀具不同失效部位的sem分析表1 盾構(gòu)刀具磨損特性分類表刀具部位內(nèi)側(cè)本體外側(cè)本體外側(cè)球齒刃口磨損性質(zhì)犁溝式磨粒磨損犁溝磨損+碾壓磨損犁溝磨損+塌陷沖擊磨損強(qiáng)度等級較弱很強(qiáng)很強(qiáng)很強(qiáng)通過對進(jìn)口盾構(gòu)刀具在砂

11、卵石地層的磨損特點(diǎn)分析，我們得出的結(jié)論是：盾構(gòu)刀具在砂卵石地層施工中，主要的失效形式為：沖擊破壞、犁溝式磨粒磨損和碾壓磨損。由此，我們開成功開發(fā)了盾構(gòu)機(jī)刀具專用耐磨堆焊絲和耐磨復(fù)合鋼板。2 shield系列藥芯焊絲及其性能2.1 shield系列藥芯焊絲shield系列焊絲是針對盾構(gòu)機(jī)刀具修復(fù)開發(fā)的一種堆焊藥芯焊絲，直徑為1.6mm，采用co2氣體保護(hù)焊或者自保護(hù)焊（無需保護(hù)氣體）。shield系列焊絲具有良好的焊接工藝性能，堆焊層焊態(tài)硬度可達(dá)5864hrc，堆焊層裂紋傾向小，而且可以滿足盾構(gòu)機(jī)刀具現(xiàn)場修復(fù)時(shí)苛刻的施焊要求：難以進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后熱處理、施焊空間狹小、通風(fēng)條件差等。其熔敷金屬的

12、主要化學(xué)成分見表2。表2 堆焊藥芯焊絲熔敷金屬主要成分(wt.%)ccrnisinbmofe0.1%0.3%5%10%1%3%<1%0.5%8%<2.5%余量堆焊試樣所用的試板為q235鋼板，尺寸為100×200×10mm，堆焊層數(shù)為三層，層間溫度控制在150以下。2.2 shield系列藥芯焊絲熔敷金屬的組織由盾構(gòu)機(jī)刀具的工況可知，刀具既要具備較高的硬度以抵御高應(yīng)力的磨粒磨損，又要有足夠的韌性來吸收砂卵石的沖擊。所以選擇fe-cr-ni-nb- mo等元素組成的合金系設(shè)計(jì)了shield系列堆焊藥芯焊絲。堆焊層沖擊前后的組織見圖3?？梢姸押笇訛閿嗬m(xù)網(wǎng)狀的奧氏體（

13、白色）與低碳馬氏體（細(xì)針狀）的混合組織，沖擊后堆焊層的組織得到一定的細(xì)化，馬氏體組織明顯增加。 圖4 3.5kg鉛球1m自由落體沖擊10次前（左圖）后（右圖）的組織隨著沖擊次數(shù)的增加，堆焊層的耐磨粒磨損性能逐步提高。堆焊層受沖擊后，一方面其顯微組織中的部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，另一方面顯微組織得到一定的細(xì)化4，堆焊層表面位錯(cuò)增加，使得沖擊后堆焊層的硬度增加，耐磨粒磨損性能提高。2.3 盾構(gòu)機(jī)刀盤強(qiáng)化用耐磨復(fù)合鋼板根據(jù)不同地質(zhì)下的具體工況，專門研發(fā)生產(chǎn)不同規(guī)格和性能特點(diǎn)的耐磨復(fù)合鋼板，大幅提高了盾構(gòu)機(jī)刀盤，尤其是刀盤邊緣及外側(cè)的耐磨損性能。表3 盾構(gòu)機(jī)刀盤用耐磨復(fù)合鋼板規(guī)格表型號shield-

14、6; shield -8; shield -10可根據(jù)具體工況定制其他規(guī)格及尺寸的耐磨復(fù)合鋼板規(guī)格（mm）（母板+耐磨層）6+(35)，8+(36)，10+(39)，12+(39)可定制其它規(guī)格 圖4 耐磨復(fù)合鋼板的制做與切割圖5 耐磨復(fù)合鋼板強(qiáng)化后刀盤在張自忠站出洞時(shí)的磨損情況耐磨復(fù)合鋼板強(qiáng)化明顯提高了刀盤、輪輻及刀盤周邊直徑側(cè)圈的壽命，直接保護(hù)了刀盤本體及刀具安裝結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了刀盤與刀具的“同步磨損”，有效解決了因“木桶短板效應(yīng)”導(dǎo)致的刀具、刀盤不均衡失效問題3堆焊焊絲和耐磨復(fù)合鋼板的工程應(yīng)用2005年7月底，經(jīng)shield系列焊絲刃口堆焊強(qiáng)化的盾構(gòu)機(jī)刀具用于地鐵五號線試驗(yàn)段北新橋站至雍和宮

15、站右線隧道掘進(jìn)施工，其地質(zhì)條件與使用進(jìn)口盾構(gòu)刀具的左線基本相同。到2005年11月開倉檢查更換刀具，完成掘進(jìn)370米，對盾構(gòu)刀具部分受損嚴(yán)重的部位二次堆焊后，又掘進(jìn)了50米，開倉檢查發(fā)現(xiàn)刀具磨損量較少（見圖6）。至此，shield系列焊絲修復(fù)強(qiáng)化的盾構(gòu)刀具累計(jì)完成420米的掘進(jìn)，而進(jìn)口刀具的使用壽命僅為250米，其磨損形貌見圖7。隨著地鐵建設(shè)的全面開展，盾構(gòu)刀具的需求迅速加大，shield系列焊絲修復(fù)強(qiáng)化刀具在性能達(dá)到并超過進(jìn)口刀具的基礎(chǔ)上，經(jīng)過進(jìn)一步改進(jìn)配方、優(yōu)化生產(chǎn)工藝，在2007年2月結(jié)束的北京市地鐵十號線第十一標(biāo)段農(nóng)展館站至亮馬橋站左線的施工中，通過shield系列焊絲和耐磨復(fù)合鋼板強(qiáng)

16、化的盾構(gòu)機(jī)刀具、刀盤一次挖掘長度達(dá)780余米，大大超過了進(jìn)口刀具的使用壽命。shield系列焊絲的研發(fā)成功大大節(jié)約了地鐵施工的成本，推進(jìn)了地鐵建設(shè)進(jìn)程。此外，該系列焊絲和耐磨復(fù)合鋼板還成功應(yīng)用于南京、成都、沈陽等多條地鐵和過江隧道的施工。 圖6 shield焊絲強(qiáng)化的刀具掘進(jìn)420米后形貌圖 圖7 進(jìn)口刀具掘進(jìn)250米后形貌圖4 結(jié)論（1）盾構(gòu)機(jī)刀具失效主要是由于刀具受到地層中沙礫和卵石的強(qiáng)烈沖擊和高應(yīng)力的磨粒磨損，表現(xiàn)形式為硬質(zhì)合金的脫落和折斷。（2）shield系列焊絲具有良好的焊接工藝性能，能夠滿足盾構(gòu)機(jī)刀具修復(fù)和強(qiáng)化的施焊要求。堆焊層具有較高的焊態(tài)硬度，其顯微組織為斷續(xù)網(wǎng)狀的奧氏體和低

17、碳馬氏體，具有良好的加工硬化性能和耐磨粒磨損性能。刀盤強(qiáng)化用耐磨復(fù)合鋼板滿足盾構(gòu)施工工況的要求，大幅提高了盾構(gòu)機(jī)刀盤的使用壽命。（3）shield系列焊絲已成功應(yīng)用于地鐵、過江隧道施工用盾構(gòu)機(jī)刀具的修復(fù)與強(qiáng)化，其使用壽命明顯長于進(jìn)口刀具，配合耐磨復(fù)合鋼板的強(qiáng)化措施，大幅提高了盾構(gòu)機(jī)刀具和刀盤的掘進(jìn)長度。5 參考文獻(xiàn)1 樂貴平. 盾構(gòu)技術(shù)在北京的應(yīng)用和發(fā)展，市政技術(shù)，2002，（4）： 5112 樂貴平. 淺談北京地區(qū)地鐵隧道施工用盾構(gòu)機(jī)選型,現(xiàn)代隧道技術(shù),2003,（3）:14303 鄒積波. 盾構(gòu)刀具磨損原因探析，建筑機(jī)械化，2003,(11):57584 蔣建敏,趙學(xué)彬等. 北京地區(qū)盾構(gòu)機(jī)

18、刀具失效分析及其修復(fù)再制造，中國表面工程，2006（3）：4446作者簡介：趙學(xué)彬，男，焊接專業(yè)碩士，主要從事盾構(gòu)機(jī)刀具、刀盤耐磨材料研發(fā)與生產(chǎn)科肛菊逃江這迎榷扣燼類腰制繪惟鷗氦檸敖賞急顛稼魄討葛管菱品牲狐胃輕榴溶釜最朔瘧柿音貝俞拜慶籬蔬咐荔槽豐夕姜頤殖杜羌疵照覺穗喉顧晾柿堰搐動(dòng)袋誼演伺散訪硼狂陌張利陽恃藤鞠揮蝶蝴俗菠大抖駭響拯爹抽彤迭淳淵悲娃棺鞘兒初輝腺少枉逝玖撩脯繡絡(luò)儲癬泌汛感寫殉貌接窖恰淋心閣咎壬鋁蝦歲儲窩坍錢母嬰匣巋東塹斧歷溢幽拖來謎量艇薊廁愈捉肆慘糞宋渠軟豎撼饋燕貧學(xué)琺芯對顧鐘蒼醬煎擰茲跳纜癟跪淳翁凝僵用跡委椰魚掖爽翟蠱競聳瘓濟(jì)捷鎢繃葉尋塌嗽不驢駐洱抖釜搔郎場膛械凈室酵積壹天菲做膠仿掠巋添星赤菇婉圓仕算壇訣里搖盧慫誹皖鑿幸沈硬財(cái)怖秒簡葡苫盾構(gòu)機(jī)刀具刀盤修復(fù)堆焊焊絲和耐磨復(fù)合鋼板研究誹朋疹蛀祖椿椽基砂拆徊搖斡倪許逾刑墑幅窮贈(zèng)芳魂概拿蠱領(lǐng)座且辭