CN101451437A - 一种地铁盾构用刀具 - Google Patents

Abstract

本发明属于新材料领域中的高性能结构材料领域。该发明主要用于地铁盾构，对原有地铁盾构用刀具在原有结构不变的基础上进行改良，使其更适合北京地铁乃至全国地铁挖掘施工情况。具体改良内容包括三项：1)在原有盾构刀具结构的基础上改良刀具用钢铁种类，选用35CrMnSi作为刀体制造材料；2)在新制刀具周边刀口处安置硬质合金安装孔，用钎焊技术在孔周围加焊硬质合金层作为硬质合金和刀体的连接，形成“球齿”钎焊装配，用来提高孔洞的硬度和耐磨性；3)应用堆焊技术，在周边刀口处堆焊一种高性能堆焊材料，增强盾构刀具周边的抗冲击和耐磨损能力。本发明可以明显提高盾构用刀具的使用性能，同时可以满足地铁施工的技术需求，减少维修次数，提高地铁挖掘工作效率。

Description

一种地铁盾构用刀具

技术领域

本发明属于新材料领域中的高性能结构材料领域。该发明主要用于地铁盾构，使其刀具性能更加优越。本发明已在地铁盾构刀具中得到应用，效果很好，同时可以满足地铁施工的技术需求，且喷涂后如果涂层剥落可以再次喷涂，进一步提高施工效率。

背景技术

我国城市人口的高度集中，土地的日益紧张，迫使人类不得不“飞天入地”。地铁已成为衡量一个城市综合实力的重要指标。世界上现代化程度较高的城市大多有比较成熟与完整的轨道交通***，有些城市的轨道交通运量占城市公交运量的50％以上，有的甚至达70％以上。巴黎有1000万人口，轨道交通承担70％的公交运量。这一比例在东京是80％，在莫斯科和香港是55％。而在北京，居民乘用地铁和地面公交车的出行比例不足30％，其中地铁又不及公交总量的15％。

随着北京经济社会的快速发展，特别即将举办2008年***，大大促进了北京轨道交通的发展进程。北京于今年已经完成地铁5号线的施工工作并且成功运营，根据规划，将建设地铁四号线、十号线、奥运支线、亦庄线、机场专线、九号线等8条地铁线路。到2008年，北京的地铁里程将达到300公里，而现在不足100公里，建设任务十分艰巨。

在人口密集的繁华闹市内既不能用明挖法施工，又不能用矿山法施工，最好的选择就是盾构法。采用盾构法施工，既可避免对地面大开挖，又可减少噪音；既能提高速度，又能降低造价；既可保证安全质量，又不受气候影响。美国、德国、英国、法国、日本、等许多发达国家普遍采用这种施工法。

根据盾构施工时盾构刀具所遇工况以及盾构刀具失效分析可知，在盾构施工的工作环境中，工况复杂、条件恶劣，盾构机刀具常受到砂砾、卵石等高应力下的磨粒磨损和强烈的冲击作用。目前国内地铁的挖掘工作所使用的盾构刀具主要都引进于德国刀具，但由于中国地下地况与德国大有不同，导致目前所购刀具每副只能挖掘约250m，这主要由于刀具表面材料为硬质合金，在工作中刀具表面极易磨损剥落，导致刀具报废无法使用，严重影响施工质量和工作效率。针对此工况，为了提高盾构刀具尤其是刀盘外侧线速度较大的周边刀的使用寿命，研究人员将盾构刀具的性能要求及结构改进等作了重点研究。

根据盾构机刀具工况和失效的具体表现得出结论：为配合我国地下的特殊情况，盾构机周边刀既要有较高的强度、硬度，又要有一定的韧性。较高的强度、硬度可以抵御压实的粘土、砂砾的高应力磨粒磨损，一定的韧性可以承受卵石的冲击。新研制的盾构刀具周边刀迎土面堆焊层承受卵石的冲击主要表现在两个方面的作用：一方面可以保证刀体本身不会出现突发剥落造成意外磨损，另一方面可以缓冲硬质合金球齿所受冲击，避免其折断(即“崩刃”)和脱落。

发明内容

本发明所要达到的最终目的是：通过使用本发明所研制出的改良方法，制备出适合国内地下土况的性能先进的地铁盾构用刀具。所发明的刀具具有表面硬度高，周边刀能够长期受到冲击而不发生磨损和表面剥落现象。使用本发明所制备的刀具可明显降低地铁盾构施工工程的修复造价，延长刀具使用期限，加快工程进度，提高盾构刀具施工的安全性和可靠性，提高国内对盾构刀具的设计生产水平。

本发明属于新材料领域中的高性能结构材料领域。其特征在于，提供了一种适合我国土质的地铁盾构用刀具。

围绕一定韧性下高强高硬的性能要求，我们对盾构刀具之周边刀进行了修复材料的研发，并进一步结合刀具结构改进开展了以周边刀为主的盾构机刀具国产化研究。根据对我国地下土质特性的研究，我们的对现使用刀具的改良方法主要包括三项：

1)在原有盾构刀具结构的基础上改良刀具制备材料，采用低碳合金钢铁，选择35CrMnSi，该材料具有较好的可锻性和机械加工性及可焊性；

2)在新制刀具周边刀口处安置硬质合金安装孔，用钎焊技术在孔周围加焊硬质合金层作为硬质合金和刀体的连接，形成“球齿”钎焊装配，采用镶嵌装配配合铜钎焊的方法，这种工艺对焊接温度的控制有较为严格的要求，但这种工艺具有很高的可靠性，而且可以保证连接件之间具有较高的连接强度，提高孔洞的硬度和耐磨性；

3)应用对焊技术，在周边刀口处堆焊一种高性能堆焊用喷涂涂层，增强盾构刀具周边的抗冲击和耐磨损能力。通过使用堆焊技术在现有刀具上堆焊一层高性能耐磨性堆焊涂层，喷涂位置主要喷涂在盾构刀具周边部位及刀具表面易冲击磨损部位。堆焊后的盾构刀具与原刀具相比，具有更好的耐冲击性能，表面硬度明显增高，使用期限大大增加，可进一步加快地铁施工的工程进度，提高工程质量，降低维修成本。

附图说明：

图1：刀具加工的工艺流程图

图2：周边刀制造工艺

图3：盾构刀具的刀体示意图

具体实施方式

1.外形铸造。使用低碳合金钢(35CrMnSi)，应用铸造的方法铸造成型出刀具的外形。刀具的制造工艺的工序设计安排，由于考虑后续工序对前道工序的影响。刀体耐磨层的堆焊必须安排在机械加工工序的前面，因为若加工在前，焊接的高温及焊接应力会导致加工沟槽发生变形，进一步导致硬质合金零件与刀体之间的装配精度降低，使得两者的结合强度下降。同样，考虑到焊接会对硬质合金的机械性能产生不利影响，所有的电焊作业必须安排在硬质合金钎焊工序之前完成。图1为刀具加工的工艺流程图。

2.周边刀口的特殊设计。结合北京地况以及在工程应用中对刀具的使用和性能测试得出结论，确定采用20Mn2作为周边刀的本体材料，该材料具有较好的机械加工性能和焊接性能；刀具外侧镶嵌硬质合金“球齿”。由于硬质合金球齿在烧结后，还要进行热处理。因此，为保证刀具的制造质量和性能，对刀具的制造工艺流程进行周密的设计，以免由于工序安排不合理而导致刀具机械性能降低，进而导致使用寿命的缩短。图2为周边刀制造工艺。

3.刀体堆焊处理。机械加工完成后，将刀具毛胚送到焊接车间进行堆焊；堆焊作业应首先焊接端头部分，待刀体温度升高后，再进行刀具刃口部位的堆焊。在冬季环境温度较低时，尤其要注意焊接时层间温度的控制：焊接过程中刀体的温度应控制在100℃～150℃之间。同时根据刀具出仓时的磨损部位和磨损特点，利用DG7气保护药芯焊丝，在刀口处堆焊加强耐磨性的基础上，进一步增加刀具刃口部位的堆焊层高度，除此之外，对刀身的堆焊范围也要有所扩大，通过这些强化手段和措施，使得刀具本体的耐磨性能得到了显著提高。

4.钎焊硬质合金。将铸造完成后的刀具在电炉内将焊接后的加热到600℃，在球齿安装孔内放入适量的硼砂，然后用气焊将铜焊条熔化到球齿孔内，并迅速将球齿装到安装孔内。整把刀具球齿钎焊作业完成后，将刀具放入石棉灰中进行保温缓冷，以保证刀具的机械性能。

此外，由于球齿在烧结后，其尺寸偏差可能分布于一个较大的范围(0～0.5mm)，为保证球齿与刀体之间有比较理想的装配间隙，我们对所有购进的硬质合金球齿进行测量，将尺寸偏差相近的编成一组，然后根据每组球齿的尺寸，选配一把钻头，来加工相应的安装孔，以确保刀具的制造质量。刀体与球齿采取银铜焊条进行焊接，钎焊是比较普遍采用的常规方法，技术要求不高，可以保证两者之间有较高的连接强度。

选择低熔点银铜焊条(银含量达到40％左右)对球齿进行钎焊，可以在600℃温度下进行焊接，这样可以避免焊接温度过高导致球齿性能的下降。图3为盾构刀具的刀体示意图。

Claims (1)

1、一种地铁盾构用刀具产品，其性能优于当今使用的盾构刀具。特征在于，在原有盾构刀具结构的基础上改良刀具用钢铁种类(35CrMnSi)；在新制刀具周边刀口处安置硬质合金安装孔，用钎焊技术在孔周围加焊硬质合金层作为硬质合金和刀体的连接，形成“球齿”钎焊装配，可提高孔洞的硬度和耐磨性；应用堆焊技术，在刀体，尤其是周边刀口处堆焊一种高性能堆焊材料，增强盾构刀具周边的抗冲击和耐磨损能力。

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