高性能TBM滚刀刀圈的应用

张凌，方亮，黄石起，尹佳鹏，王新荣

（1.吉林省维尔特隧道装备有限公司，吉林吉林市132011；2.吉林省盾构与掘进刀具技术重点实验室，吉林吉林市132011）

0 引言

影响TBM 滚刀刀圈使用寿命的因素很多，我们对国内外不同厂家的刀圈做了各种性能检测，并对不同工况下掘进过程中的刀圈失效形式做了大量的分析和总结，最后从原材料的成分、生产工艺等方面进行了研究，开发出了新型的高性能盘型滚刀，本文重点介绍公司生产的高性能TBM 滚刀刀圈的特殊性能。

1 TBM 滚刀刀圈的材料及生产工艺

1.1 刀圈的材料

为了提高TBM 滚刀刀圈对于复杂岩层的适应性，既要保证刀圈拥有较高的硬度，同时要具有较高的冲击韧性。多年来吉林省维尔特隧道装备有限公司反复研究材料中各种合金成分，开发出了特有的WG-16 高性能盘型滚刀生产材料，在硬度达到60-64 HRC，冲击功可达到≥23 J，抗拉强度≥2020 MPa，化学成分见表1。

1.2 材料的生产工艺

采用中频炉底吹氩精炼＋气体保护电渣重熔＋高温均质化处理工艺。中频炉底吹氩精炼后可以降低钢液中的有害气体和有害非金属夹渣物的含量；采用气氛保护定向凝固重熔工艺，保证了电渣锭内部高纯净度、高均质性、超细晶粒、防止了凝固过程中的微观化学偏析，从而获得组织致密、晶粒细小的金属组织。高温均质化处理：对材料进行高温均质化处理后改善材料的各种偏析，减少一次碳化物，提高材料的冲击韧性。通过上述精炼工艺生产出的材料比常规熔炼的材料，各种夹杂物降低：硫化物降低69%；氧化铝62%；硅酸盐67%。

2 锻造工艺

把传统的自由锻改进为油压机锻造冲孔后用碾环机碾出环件，最后用万吨摩擦压力机进行闭式模锻的工艺方式，在最短的时间内、最佳的锻造温度范围内完成了模锻，实现了金属内部组织纤维从内向外伸展，增强了刃部组织密度，保证了纤维组织的连续性，锻造出的刀圈毛坯刃部的组织密度高于端部，从而满足了刃部具有良好的综合机械性能。

3 热处理工艺

刀圈的淬火采用真空油淬，淬火加热工艺用分段加热、分段保温的方式，根据硬度要求制定合理的回火温度及回火次数，并重点研究出了滚刀刀圈从端部到刃部的硬度由低到高呈梯度分布，提高了刀具的装配质量，避免在使用过程中刀圈断裂失效，从而提高刀圈的使用寿命。

4 性能对比及使用效果对比

4.1 性能对比

通过对美国某厂商、国内某厂商和维尔特刀具样品分别进行洛氏硬度、冲击功、抗拉强度实验，得出试验数据如表2 所示，维尔特刀具在梯度硬度、冲击功和抗拉强度等关键技术指标性能远超美国厂商。

通过研究，TBM 刀圈的硬度分布对于刀圈的磨损也起到至关重要的作用，均匀的硬度变化使刀圈在使用过程中可稳定地磨损，并且降低刀圈异常磨损的概率，刀圈的稳定性对于隧道掘进机的平稳推进（推力和贯入度）也有较大的影响，我们分别对美国厂商、国内厂商和维尔特三个品牌的刀具，在同一工况下的磨损情况进行分析（见图1），维尔特刀具相对于其他厂商磨损量较为线性，没有较大的异常磨损点，并且使用寿命最长。

表1 刀圈材料化学成份

表2 国内外厂商刀圈材料性能对比

4.2 使用效果对比

为了证明新型高性能TBM 滚刀刀圈是否达到预期效果，将其投入到我国比较有代表性的“引松入长”和“引汉济渭”两个TBM 项目上进行试验，其中“引松入长”项目使用的是意大利某知名品牌的刀具，在同一刀盘、相同工况下连续8个刀位间隔布置两品牌刀具，共同掘进110 m。意大利品牌4 刀位累计磨损70 mm,维尔特刀具4刀位累计磨损66 mm,意大利品牌刀圈磨损量高于维尔特刀具磨损量6.06%，维尔特刀具性能优于意大利品牌刀具。

图1 同一工况下刀圈磨损情况

由陕西省引汉济渭工程建设有限公司组织了对国内外多个厂家提供的刀具进行TBM 试掘进硬度测试与磨损量测试实验，在该项目TBM试掘进磨损量测试实验中，将吉林维尔特刀具与前期试验性能最优的美国某品牌刀具做使用对比，选定项目刀盘上最易磨损的41—46 号边刀位分两组，做两轮对调使用对比。美国品牌第一轮44 号、第二轮43 号刀位先后发生弦磨。维尔特刀具全程性能表现稳定，试验全程全部刀具无崩韧、弦磨等刀体损坏。相同刀位逐一对比，美国品牌刀具磨损量全部高于维尔特刀具磨损量，累积磨损量，美国品牌刀具高于维尔特刀具35.71%，刀具磨损量试刀结果见表3。

5 结语

高性能TBM 滚刀刀圈拥有高硬度、高韧性的特点，有效提高了刀圈服役时的可靠性和耐久性，这不仅提高了隧道掘进机的工作效率，同时降低了施工成本，并且通过多次实际验证，高性能WG-16 刀圈完全取代并超越了国外进口刀圈，彻底打破了国外进口刀具的市场垄断情况，将对推动国产TBM 刀具的发展产生重要意义，更将有力带动我国隧道装备产业链发展，助力民族工业的伟大振兴。

表3 维尔特公司与美国某公司刀具磨损试刀情况对比