全断面硬岩掘进机机头架制造技术研究

王伟金

（中交天和机械设备制造有限公司，江苏 常熟 215505）

1 TBM机头架结构简介

机头架为TBM的核心部件，是整台设备的主要支承部件，为驱动刀盘的主驱动电机提供安装底座，用于安装前主梁以及主轴承组件的轴承箱体。刀盘通过主轴承和转接座安装在机头架的前端，机头架通过安装在前主梁上的支承油缸和撑靴撑紧在隧道壁上，在TBM掘进时支承主机的重量，并平衡开挖面对机械的反推力。

2 机头架制造重点和难点分析

通过对机头架结构图样的研究分析，其制造具有如下特点。（1）机头架的制作工序。下料—拼板安装—焊接—热处理—机加工—涂装等，工序转化次数多，结构复杂，加工部位多，制造难度大。（2）厚板拼装全部由焊接组成。主焊缝要求全熔透焊接，最大板厚175mm，焊接工作量大要求高。（3）加工难度大、工艺复杂、精度要求高。例如三层电机孔的同轴度0.08mm，内周耐磨环安装位置圆度0.1。

3 制造工艺分析和研究

根据机头架的结构特点，研究制定机头架的制造工艺，主要包括结构制作工艺、热处理、机加工工艺，分别介绍如下：

3.1 结构制作工艺

3.1.1 结构件制作技术要求

（1）对于超过30mm的钢板及锻件进行100%UT探伤，必要的情况进行材料化学成分分析和力学性能检测，确保原材料合格的情况下进入下一道工序。（2）坡口加工采用铣边机或火焰切割，需将坡口内及两侧的氧化皮、铁锈油污去除干净；（3）焊接过程中所用的焊接材料不能有铁锈和油污；（4）层间焊渣打磨清理干净，发现表面气孔裂纹，需打磨或气刨直至气孔裂纹消除，方可进行焊接；（5）焊前装好引弧板和熄弧板，焊接过程中打底焊缝厚度不低于5mm，点固焊缝长100mm，间隔200mm；过程采用多层多道焊，单道焊焊接采用间断焊法，环焊缝采用分段对称式施焊,单道焊缝厚度不超过5mm，焊缝宽度不超过15mm；（6）焊接过程中注意控制道间温度不低于预热温度，控制在150～250℃之间。焊接完成后将焊缝部位加热到250～300℃，恒温保温2h后保温棉包裹缓冷，装配点焊也需要相同的预热温度。（7）焊接过程中，每焊完一层，磨光机打磨焊缝，清理干净焊缝区域方可进行下一道工序，如焊接过程中发现裂纹，需立即打磨或者气刨干净后方可继续施焊，不允许用电弧熔除；（8）焊接过程中做好焊接记录，注意监测环境温度、湿度、风速。

3.1.2 机头架焊接工序

（1）机头架拼板焊接。以件1法兰板进行拼板安装并调整相关尺寸，检验合格后焊接固定，按照图纸要求对拼板进行全熔透焊接。在法兰板上布置翻身吊耳，焊接顺序参照下图1进行操作，其它法兰板拼接焊接参照件1制作，完成后进行100%UT+MT检测，合格后进行下一道工序。（2）机头架底部法兰安装制作焊接。以件1中心为基准划出所需安装部件的定位安装位置；安装内圈板件，依次安装筋板，安装天地竖直板件等。

以上完成后报质检进行检验，检验合格后进行打底施焊，控制焊接电流及焊接变形，双人对称式分段施焊，由内而外进行施焊，先立焊后横焊，多道多层焊接，焊接过程中测量并控制其构件尺寸在图纸要求范围内（如图1）。

图1 焊接顺序示意

（3）机头架中部法兰安装制作焊接（如图2）。安装法兰板件2，调整法兰板件2与件1法兰板电机孔、人孔的同心度，调整件2法兰板的平面度≤2mm，完成后加焊固定住。依次安装外圈板、筋板、吊耳等，检验合格后进行施焊，控制焊接电流及焊接变形，双人对称式分段施焊。

（4）机头架上部法兰安装制作焊接（如图3）。安装法兰板并调整其与构件的同轴度。以上确认位置后，加焊固定，报质检进行检验，检验合格后用工艺卡板固定住，并进行施焊控制焊接电流及焊接变形，双人对称式分段施焊。

图2 中部法兰板安装制作焊接

图3 上部法兰板安装制作焊接

4 退火去应力热处理

为消除机头架构件在制作加工过程中产生的焊接应力，稳定构件的整体尺寸，焊接完成后需进行去应力退火处理。根据坡口焊角高度、母材厚度及结构形式，编制退火工艺，退火过程中，为保证工件均匀受热及防止产生过大形变，有效达到退火消除应力的目的。退火工件必须做工装支撑防止弯曲变形；工件需摆放在退火炉中间，距离炉门、炉顶端墙和喷火咀保持一定距离。

5 机加工工艺（图4）

5.1 根据机头架的图纸要求

加工必须满足如下2点：（1）内外圆的尺寸及其同轴度要求、内外圆与端面间的垂直度要求；（2）电机孔的尺寸要求、位置度要求、三层孔的同轴度及垂直度要求。

5.2 TBM机头架加工工艺的详细介绍

图4

（1）加工工艺线路的确立。以机头架中心圆环面为基准，复核机头架垂线，划上端面基准M加工线，以基准M划下端面D加工线；复测焊接所刻中心十字线，划出水平包容线及将中心十字线延伸至外圆处。

（2）焊搭子。在工件大外圆环外侧点焊工艺基准搭子，工艺基准搭子对称在中心十字线位置处，并错开吊耳、支耳位。

（3）立车粗加工。①夹外圆，以机头架中心圆环面为装夹平面基准，复核机头架垂线及加工线，粗车内外圆至留2mm余量、将工艺基准搭子平面见光后，加工与轴承、转接座连接螺孔。②翻身，夹外圆，以工艺基准搭子平面为装夹平面基准，参考中心十字线，加工所有油缸安装孔至2mm余量，加工电机装配孔至5mm余量，加工所有与前主梁连接孔位。

（4）龙门粗加工。校准工艺基准搭子平面，找正工件圆心，找正中心十字线，根据电机装配孔，加工电机装配接触面孔M面至2mm余量，加工减速机安装接触面至2mm余量，加工电机装配孔、减速机装配孔、轴承安装孔至2mm余量，加工电机装配孔接触面连接螺孔，精加工机头架天地方向平面、及键槽至2mm余量，加工天方向平面所有螺孔及地方向平面所有孔位后并进行反刮。

（5）探伤。将所有加工焊缝进行MT探伤，如出现不合格焊缝需返修处理并进行核磁共振消除应力。

（6）立车精车。校准工艺基准搭子平面，找正工件圆心，找正中心十字线（确定C轴原点），精加工机头架内外圆至图纸尺寸，加工与轴承、转接座连接定位销孔；将工艺基准搭子外圆见光，加工机头架外圆及与轴承安装侧、转接座安装侧所有油孔；精加工所有油缸安装孔至图纸尺寸。

6 结语

以上对机头架结构特点的分析和对机头架的制造工艺进行的详细研究，对机头架的制造加工起到了很好的指导作用。结构件质量和机加工精度尺寸完全满技术要求。同时，本文阐述的机头架制造工艺为其它类似复杂大型结构件的制造提供了可借鉴的经验，通过我们认真总结、努力创新，我国的全断面硬岩掘进机生产制造技术必将取得新的突破。