地铁隧道盾构机刀盘制造工艺

2023-08-16卢开争

水电站机电技术 2023年7期

卢开争

（中国水利水电第十四工程局有限公司，云南昆明 650041）

0 前言

刀盘位于盾构机盾体最前端，是盾构机掘进切屑地层的关键部件。它具有三大功能：一是开挖功能，对掌子面的地层进行开挖，使开挖后的渣土顺利通过渣槽，进入土舱；二是稳定功能，具有支撑、稳定掌子面的功能；三是搅拌功能，可以对土仓内的渣土进行搅拌，使渣土具有一定的塑性。刀盘的功能决定了刀盘必须具备结构强度较高、耐磨性能较好等特点，因此合理的制造工艺将是能否制造出合格刀盘的关键。本文以深圳地铁十二号线复合式盾构机刀盘制作工艺为例，进行分析说明。

1 项目概况

深圳地铁十二号线项目盾构机刀盘开挖直径为Φ6 470 mm，采用六主梁、六辐梁复合面板式结构。刀盘配置6 把中心双联滚刀、35 把单刃滚刀，中心开口率35%，总重约66 t，为重型结构刀盘，整体焊缝较多、焊接量较大。

2 刀盘的结构

刀盘主要分为三个部分，主体面板结构、扭腿以及连接法兰。主体面板结构采用钢板拼焊而成，刀盘中心区域采用140 mm 厚钢板整体锻造而成，外圈大圆环采用120 mm 厚钢板卷制。中心区域和大圆环之间等分布置6 根主梁，主梁中间布置刀箱，每根主梁之间布置1 根辐梁，辐梁与主梁、大圆环连接，这样刀盘面板结构全部连接在一起，形成一个整体。

图1 刀盘面板结构图

3 刀盘的制作工艺

刀盘面板是刀盘的主要结构，刀盘制造的重点在于面板的制造。刀盘的制造工序为：下料→大圆环卷圆→放样→大圆环组拼→中心区域组拼→主梁组拼→辐梁组拼→整体加固→焊接→校正→机加工。

3.1 下料

大圆环需拼焊，分两瓣下料，各豁口及坡口不割出，待组对大圆环前割出。两瓣一起下料，只切割展开长度方向，两端不切断，保持整体状态下滚圆。每瓣展开长度增加400 mm 下料，作为卷制时压头余量。其余各部件按照零件图进行下料，下料完毕后开制坡口。切割坡口尺寸按图纸要求执行，公差按工艺要求：深度±1 mm，角度±1°。对于标注钝边为2 mm 的坡口，其实际钝边不得大于2 mm。

3.2 卷圆

大圆环下料完毕后，按内径Φ6 080 mm 卷圆，制作弧形样板检验卷圆弧度，保证样板和大圆环间隙≤2 mm。卷圆完毕后，割除压头余量，两端头拼焊处坡口为X 型，坡口组合角度45°，钝边2 mm。

3.3 组拼

在刚性平台上划线放样刀盘，主要放线尺寸为圆心、大圆环、主梁、辐梁等，大样须进行报检。在地样上组拼主梁，注意刀盘正面朝下组拼。先定位中心区域面板，然后依次组对各件主刀梁，注意主刀梁之间的距离应加宽4 mm，以便后期刀箱安装。组对时调整主刀梁两端对齐且侧面与平台垂直，与平台定位焊固定，在主刀梁中间各加2 处工艺支撑进行固定。主刀梁、辅刀梁组对完成后，组拼连接环筋，点焊固定牢靠。将大圆环按位置线进行组对，在圆心位置放线锤，每隔30°检查一次半径R 3 040 mm，并保证大圆环两瓣组拼间隙为10 mm 左右。并在大圆环组对处内外各焊接一块定位挡块，只焊接单边焊缝，让大圆环在焊接过程中有收缩余量。面板组拼的同时，对扭腿进行小拼装，定位加固牢靠。全部组拼完成后，检测定位的各部件工艺支撑，定位焊接牢固，在各主要部件上都与刚性平台进行连接固定、使大圆环与平台固定牢靠。

3.4 刀盘面板焊接

刀盘的焊缝主要为主梁、辐梁与中心面板和大圆环以及扭腿之间焊缝，焊缝填充量较大，焊接变形难于控制。必须遵循焊接顺序：①先焊接长直焊缝，主焊缝，在焊接短焊缝；②采用对称焊接；③采用多层多道焊焊接，每道厚度不大于5 mm，宽度不大于15 mm；④每道焊缝焊接前检查打底焊是否有开裂等缺陷，如有需清除后焊接；⑤从中心向四周辐射、4 个焊工同时对称焊接、同向焊接、大圆环最后焊接。焊材采用ER50-6 焊丝CO2气体保护焊，平焊工艺参数：焊接电流180~250 A，电压26~33 V，焊接速度20~45 cm/min，气体流量15~25 L/min；立焊工艺参数：焊接电流150~170 A，电压18~25 V，焊接速度15~25 cm/min，气体流量15~25 L/min；焊前预热100~150℃，层间温度≤300℃，后热150~200℃，保温时间不低于2 h。焊接前在大圆环外壁做出变形标记，焊接过程中实时测量大圆环变形情况，从而调整焊接顺序，减小焊接变形。

3.5 扭腿及法兰组焊

刀盘面板焊接完毕后组拼扭腿及连接法兰，调整法兰圆心与放样圆心重合，每隔60°测量法兰平面度，法兰与扭腿为探伤缝，组对时扭腿与法兰预留2~3 mm 间隙。扭腿及法兰焊接时应先焊接扭腿与刀盘面板之间焊缝，再焊接扭腿与法兰之间焊缝。焊接过程中实时监测法兰与刀盘面板高度，将法兰调整到位置后用4~6 组液压千斤顶做支撑进行加固。刀盘背面焊接完毕后翻身焊接正面剩余焊缝，全部焊接完毕后采用退火或时效振动去除焊接应力。

3.6 机加工

以刀盘前面板、大圆环外圆为定位基准装夹、垫高工件、用表找正。保证法兰平面度小于3.5 mm，刀盘中心圆跳动小于2 mm；粗车大圆环外圆以及法兰内外圆，粗车法兰端面与大圆环端面760 mm，法兰内外圆预留精加工余量；精车法兰内外圆、端面，预留粗糙度研磨余量；最后加工法兰连接孔等。

3.7 刀箱安装

将刀盘前面板朝上，法兰面朝下，以大圆环背部的加工面（法兰面）作为基准找平刀盘，平面度≤1 mm，找正圆心；用半自动切割机修割切口（边滚刀刀箱、边刮刀位置），考虑到斜刀箱板间距放大4~5 mm,所以修割大圆环切口时预留6~7 mm 的预留部分，进行多次修割，半自动不能修割到的位置用手工切割、气刨、打磨处理；用半自动切割机对主刀梁与刀箱连接的一侧开制15×15 的焊接坡口，另外一侧也同样开制15×15 的坡口，为切刀安装做好准备；斜刀箱两侧的拼板应整体组对、加固完成之后再吊装到大圆环切割的位置进行调整、定位。两块板应保证端面平齐、两侧长边平齐，板间距预留4 mm余量，即焊前保证板间距不小于410 mm，然后加支撑固定，防止在吊装过程中变形；斜刀箱两块侧板组对、加固完成之后整体吊装到大圆环切割的位置，可以对切口进行修割保证斜刀箱侧板定位的三个要素（高度、半径、角度）此处高度可以用刀盘前面板作为基准来测量，角度直接用角度仪来进行测量，角度误差±0.5°，保证好三要素后，加固焊接，可以先焊接至250~270 mm 的刀箱位置即可进行下道工序；刀具工装吊装到刀盘上之后要以法兰面和大圆环加工端面为基准来调平刀具工装，一是刀具模板固定在同一个位置，测量模板上各点的的水平，满足要求后进入下一步；二是将刀具工装旋转到不同位置，测量刀具模板上同一个点的水平，并且检测刀具工装的同心度，满足要求后即可对刀具工装进行加固。全部准备工作完成后按照滚刀刀箱→切刀（边刮刀）→撕裂刀→保径刀→超挖刀→中心刀的顺序定位刀具。