CN110257616A - 一种隧道掘进机重载滚刀刀圈 - Google Patents

一种隧道掘进机重载滚刀刀圈 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种隧道掘进机重载滚刀刀圈。采用中频感应加热设备进行退火方式处理，首先，制作适合于刀圈尺寸感应器，伸入刀圈内壁间隔5mm～8mm,制作刀圈退火托架及升降台；其次，采用激光测温仪定点测温，加热温度700℃保温10min，电流从50～100A逐级加热；再其次，采用保温缓冷，然后进行2小时的去应力回火；最后经过处理的刀圈刃部硬度不变，耐磨性不受影响，刀圈硬度由内径向刀圈刃部45～60HRC逐级过渡。本发明高强韧性过共析钢制作刀圈，并增加刀圈的直径，相应扩充刀毂内的空间，能够选用重型载荷轴承来满足承载能力的要求；同时退火处理后刀圈硬度逐级过渡，刀圈刃部具备耐磨性、刀圈内径具备韧性，避免崩刃损坏。适宜作为滚刀刀圈应用。

Description

一种隧道掘进机重载滚刀刀圈
技术领域
本发明涉及隧道掘进机滚刀，特别是涉及隧道掘进机滚刀的刀圈。
背景技术
隧道掘进机施工中滚刀承载能力不足是失效的主要问题。当掘进机推力过大时滚刀刀圈等与岩石间的磨损加大，刃部的顶力和横向切应力易造成蹦刃情况，国内目前滚刀常用的为17吋和19吋滚刀，掘进时推力过大时，滚刀轴承负载增加，工作中会产生大量的热，恶化轴承环境，造成滚动体破坏、漏油等。要想增加掘进效率就要选用大型载荷轴承。大直径滚刀也是大断面硬岩TBM的发展方向。
但是，加大轴承载荷，盾构机推力就要加大，刀圈的承载力就会增加；因此对滚刀刀圈整体的综合性能要求较高；选材和热处理方法对刀圈的性能发挥影响很大。
发明内容
为了能够选用重型载荷轴承提高滚刀承载能力，将整体淬火回火后的刀圈再进行内圈退火；退火后刀圈硬度由外向内逐级降低过渡，增加了刀圈和刀体的弹性配合，减少了裂纹开裂倾向避免崩刃，本发明提供了一种隧道掘进机重载滚刀刀圈。该刀圈通过采用高强韧性过共析钢制作，增加刀圈的直径，合理利用刀毂内的空间来选用重载轴承，并将刀圈退火后的硬度逐级过渡，降低了滚刀刀圈开裂机率；解决隧道掘进机滚刀承载不足不能加大推力，效率低的技术问题。
本发明解决技术问题所采用的方案是：
先将刀圈毛坯预先球化退火热处理，850±10℃烧透，以≤40℃/h控温冷至500℃出炉空冷；机加工后采用真空炉加热淬火550℃、850℃两次预热；1000～1150℃油冷，淬后硬度HRC62～64,采用真空炉回火530～570℃2h，三次回火硬度可达到59～62HRC。
然后采用200KW以上中频感应加热设备进行退火方式处理，首先，制作适合于刀圈尺寸感应器，伸入刀圈内壁间隔5mm～8mm,制作刀圈退火托架及升降台；其次，采用激光测温仪定点测温，加热温度700℃保温10min，电流从50～100A逐级加热；再其次，采用保温缓冷，然后进行2小时的去应力回火；最后经过处理的刀圈刃部硬度不变，耐磨性不受影响，刀圈硬度由内径向刀圈刃部45～60HRC逐级过渡，阻止表面形成的微裂纹向内径扩展的作用。
优选的，所述刀圈采用的高强韧性过共析钢，成分含量C：0.65～0.75%；Mn≤0.40%；Si0：7～1.2%；Cr：6.50～7.50%；Mo：1.9～2.5%；V：1.7～2.2%；P≤0.02%；S≤0.02%。
积极效果，由于本发明采用高强韧性的过共析钢制作刀圈，并增加刀圈的直径，合理利用刀毂内的空间，能够选用重型载荷轴承来满足承载能力的要求；同时退火处理后刀圈硬度逐级过渡，刀圈刃部具备耐磨性、刀圈内径具备韧性，避免裂纹扩展造成崩刃损坏。经过试验，内径部位取样做冲击试验，达到30J/cm2以上，是刀圈整体淬火冲击韧性的3倍，本处理工艺会阻止表面形成的微裂纹向内径扩展的作用；刀圈刃部的耐磨性不受影响。由于采用大直径滚刀推力大，破岩能力强，掘进速度快，降低刀具损耗，延长滚刀寿命，降低工作成本。适宜作为滚刀刀圈应用。
附图说明
图1为中频退火后刀圈横断面洛氏硬度检测点及硬度分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
据图所示，先将刀圈毛坯预先球化退火热处理，850±10℃烧透，以≤40℃/h控温冷至500℃出炉空冷；机加工后采用真空炉加热淬火550℃、850℃两次预热；1000～1150℃油冷，淬后硬度HRC62～64,采用真空炉回火530～570℃2h，三次回火硬度可达到59～62HRC。
然后采用200KW以上中频感应加热设备进行退火方式处理，首先，制作适合于刀圈尺寸感应器，感应器宽度与刀圈内壁高度相当，伸入刀圈内壁间隔要保持在5mm～8mm,制作刀圈退火托架及升降台；升降台要具备旋转功能，通过旋转保证整个内壁面均热；其次，采用激光测温仪定点测温，测温点的选择要有代表性的高温处，加热温度控制在700℃左右保温10min，开始送电电流不能过大，电流从50～100A逐级加热；避免过快加热，加热过快体积膨胀易产生刀圈崩裂现象；再其次，采用保温缓冷，然后进行2小时的去应力回火；最后经过处理的刀圈刃部硬度不变，耐磨性不受影响，刀圈硬度由内径向刀圈刃部45～60HRC逐级过渡，阻止表面形成的微裂纹向内径扩展的作用。
所述刀圈采用的高强韧性模具钢为过共析钢，成分含量C：0.65～0.75%；Mn≤0.40%；Si0：7～1.2%；Cr：6.50～7.50%；Mo：1.9～2.5%；V：1.7～2.2%；P≤0.02%；S≤0.02%。
所述刀圈直径534mm。
所述镶嵌刀圈的滚刀装配HH926749/HH926710轴承。
实施例：
本发明经试验测试，内径取样做冲击试验到达30J/cm2以上，是刀圈整体淬火冲击韧性的3倍，刀圈刃部的耐磨性不受影响，，耐磨性不受影响，刀圈硬度由内径向刀圈刃部45～60HRC逐级过渡，阻止表面形成的微裂纹向内径扩展的作用。
由于采用重载轴承，轴承承重力加大。以17、19吋为例，滚刀的工作承载力在250～311KN左右，经检测使用21吋重载滚刀的承载负荷应达到350KN以上。
根据工地现场试验对比试验数据，以Ⅱ类和Ⅲ类岩为主，两种直径滚刀主要机械参数比较：
工地一、大伙房TBM标段以往类似工程掘进速度比较
工地二、广水宝林
TBM17吋滚刀，最大刀盘推力8500KN，月平均进尺400米，月最高进尺526.93米。
工地三、新疆双山
19吋滚刀 ，最大刀盘推力10000KN，月平均进尺666.7米，月最高进尺1127.1米。
由以上实验数据推断21吋滚刀推力加大后，月最高进尺可增至1400米左右。
本发明的工作原理：
刀圈是滚刀的关键组件，国内厂家产品硬度控制在56～60HRC，硬度低刀圈不耐磨，硬度高刀圈脆性增大，使用时易发生刀圈崩裂，刀圈材料选用是增强耐磨性的的关键因素，耐磨性是指刀圈与岩石接触摩擦的强度，耐磨性最好的材料不一定硬度高，耐磨，要求是嵌入性和摩擦顺应性，就是磨过后能最快的形成两摩擦面的凹凸相配合的摩擦面，单纯追求表面硬度，过硬的材料不容易磨合，反而会降低摩擦面的耐磨性。有的厂家采用含碳量1.2%以上的材料，使内部组织中存在大量碳化物，碳化物有增强耐磨性的作用，但材料组织极易产生碳化物偏析聚集现象，通过热处理很难改善，使材料的脆性增大；还有的如采用高速钢材料制作刀圈，锻造性能较差、极易在锻造过程产生开裂，因此，金属盘形滚刀刀圈要充分考虑材料的选择。
金属材料中合金元素的作用如下：
铬：在钢中可形成Cr的碳化物能提高钢的高温强度与耐磨性；能提高淬透性和回火稳定性，有利于增加材料的热强性，
钼：碳化物形成元素，可提高钢的高温硬度和淬透性，可阻止奥氏体晶粒长大，从而细化晶粒，减少回火脆性。
钒：强碳化物形成元素，钒的碳化物使钢具有良好的热硬性，可细化晶粒，提高钢的耐磨性。
硅：是对铁素体进行置换固溶强化非常有效的元素。
本发明采用的高强韧性模具钢为过共析钢，成分含量C：0.65～0.75%；Mn≤0.40%；Si0：7～1.2%；Cr：6.50～7.50%；Mo：1.9～2.5%；V：1.7～2.2%；P≤0.02%；S≤0.02%；材料内部组织既有均匀的碳化物增强耐磨性，又有抗高温的能力；具备较高的强度与耐磨性。
本发明的特点：
由于增大了刀圈的直径，合理利用刀毂内的空间，选择载荷更大的重型轴承，重型轴承提高了滚刀的承载能力，满足不同地质条件的需要加大刀盘推力掘进的要求。
由于采用重载轴承，使滚刀承载力增强，破岩能力增强，换刀时间减少，所以，提高了工作效率。
由于刀圈采用高强韧性模具钢的过共析钢材料，使得滚刀整体组件强韧性配比达到最佳状态。
由于刀圈退火提高了刀圈基体的韧性，刀圈刃部硬度不变，耐磨性不受影响，刀圈硬度由内径向刀圈刃部45～60HRC逐级过渡，阻止表面形成的微裂纹向内径扩展的作用，所以，减少了刀圈的开裂倾向。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种隧道掘进机重载滚刀刀圈，其特征是：先将刀圈毛坯预先球化退火热处理，850±10℃烧透，以≤40℃/h控温冷至500℃出炉空冷；机加工后采用真空炉加热淬火550℃、850℃两次预热；1000～1150℃油冷，淬后硬度HRC62～64,采用真空炉回火530～570℃2h，三次回火硬度可达到59～62HRC；然后采用200KW以上中频感应加热设备进行退火方式处理，首先，制作适合于刀圈尺寸感应器，伸入刀圈内壁间隔5mm～8mm，制作刀圈退火托架及升降台；其次，采用激光测温仪定点测温，加热温度700℃保温10min，电流从50～100A逐级加热；再其次，采用保温缓冷，然后进行2小时的去应力回火；最后经过处理的刀圈刃部硬度不变，耐磨性不受影响，刀圈硬度由内径向刀圈刃部45～60HRC逐级过渡，阻止表面形成的微裂纹向内径扩展的作用。
2.根据权利要求1所述的一种隧道掘进机重载滚刀刀圈，其特征是：所述刀圈采用的高强韧性过共析钢，成分含量C：0.65～0.75%；Mn≤0.40%；Si0：7～1.2%；Cr：6.50～7.50%；Mo：1.9～2.5%；V：1.7～2.2%；P≤0.02%；S≤0.02%。
3.根据权利要求1所述的一种隧道掘进机重载滚刀刀圈，其特征是：所述刀圈直径534mm。
4.根据权利要求1所述的一种隧道掘进机重载滚刀刀圈，其特征是：所述镶嵌刀圈的滚刀装配HH926749/HH926710轴承。
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