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盾构刀具磨损
北京固本科技有限公司 胡建平
根据北京地区地层中含有大量砂卵石的特点，对盾构刀具磨损进行了失效分析，发现其失效原因主要是冲击和高应力磨粒磨损。针对盾构机刀具的再制造，开发了一种堆焊药芯焊丝北京固本耐磨焊丝。再制造刀具的刃口堆焊层无裂纹，堆焊层硬度：HRC60-62无裂纹。再制造刀具的寿命高于进口刀具。
盾构刀具形式按照工程地质条件和施工控制要求，可分为面板式和辐条式。北京地区目前地铁隧道施工中应用的是辐条式[1,2]，见图 1。文中主要是针对盾构机周边刀失效及其修复再制造进行究。周边刀（见图 2）的刀体是德国产钢号为 St52–3 的钢材[2]，其性能相当于国产的低碳钢 Q235。刃口为堆焊层，堆焊层内钎焊有球齿，球齿材料为硬质合金。

1 盾构机刀具的失效分析
北京地铁五号线盾构试验段属于砂卵石地层，沙砾含量大，见图 3。地层中石英含量高达 45 %以上，石英沙是“很好”的磨料，使刀具磨损速度加快。如北京地铁五号线盾构试验段雍和宫站至张自忠站左线 1 510 m 为砂卵石及粘土混合地层，掘进过程中更换了 5 批刀具。

盾构机刀盘直径为 6.2 m，转速为 0～3 r/min，通常为 1.5 r/min，刀盘最外边刀具切削线速度最大可达 1 m/s，平均为 0.5 m/s[3]。周边刀受到很大的冲击力。盾构试验段刀具磨损和折断严重，见图 4。可以看到，盾构刀具的刃口部位镶嵌的硬质合金刀片存在不同程度的折断破坏，即所谓“崩刃”；对于硬质合金刀片，由于硬度很高，相对韧性较差，冲击断裂是其主要的失效形式。刃口部位的斜坡（内侧）为典型的犁沟式磨损（见图 5）。
刀具磨损情况可归纳为表 1 所示特征。
通过对进口刀具在砂卵石地层的磨损特点分析，可知在砂卵石地层施工中，盾构机刀具主要的失效形式为：冲击破坏、犁沟式磨粒磨损和碾压磨损。

2.盾构刀具施焊工艺要求
使用北京固本耐磨焊丝焊接参数和工艺：
焊丝直径
1.6mm
焊接电流
240-280A
焊接电压
26-31V
保护气体
纯二氧化碳
技术要求：
1、焊前将待焊面除去油及其它污物。
2、焊前无需预热。
3、焊后无需保温。
4、可用于镐型截齿和刀型截齿。
5、适用于各种半自动和全自动截齿堆焊设备。
3.堆焊药芯焊丝的成分及堆焊层金属组织
由盾构机刀具的工况可知，刀具既要具备较高的硬度以抵御高应力的磨粒磨损，又要有足够的韧性来吸收砂卵石的冲击。所以选择C–Mn–Si–Nb–V等元素组成的合金系设计了北京固本耐磨焊丝。它可以保证在焊前无需预热、焊后不必热处理的条件下，使得堆焊层焊后无裂纹，硬度达到64HRC药芯焊丝熔敷金属的主要成分：
熔敷金属化学成分：
碳C
锰Mn
硅Si
铌Nb
钨V
其他
1%
1.2%
0.8%
7%
5%
3%
4.盾构刀具磨损情况
总结盾构机周边刀修复经验，选择了 35 钢作为再制造刀具的本体，刀体经 DG7 堆焊后，在刃口堆焊层中钎焊入球齿。再制造的周边刀于 2005 年 7月底投入北京地铁五号线盾构试验段北新桥站至雍和宫站右线隧道掘进施工，其地质条件与使用进口周边刀的左线基本相同。到 2005 年 11 月开仓检查更换刀具，累计完成 420 m 的掘进。刀具磨损情况见图 7、图 8。可见，进口刀具体积磨损量达到一半以上，有两个安装孔损坏；而再制造刀具不到十分之一。在基本相同的地层条件下，再制造刀具的推进里程比进口刀具要高出 20 %。可见再制造刀具的使用寿命要优于进口刀具。

5 结 论
(1) 盾构机刀具在砂卵石地层施工中，主要的失效形式为：冲击破坏、犁沟式磨料磨损和碾压磨损。
(2) 北京固本耐磨焊丝的堆焊层焊态硬度64HRC，堆焊层焊后无裂纹。通过调整焊接工艺，使用该焊丝制备盾构机刀具，可实现焊前不预热、焊后不用热处理，工艺简单便于现场使用。
(3) 工程应用表明，用北京固本耐磨焊丝药芯焊丝制备的盾构机刀具性能优于进口刀具。

投稿日期：2011年10月22日

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