全断面岩石掘进机书1(4)

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2.1 刀具

刀具是全断面岩石掘进机破碎岩石的工具，是掘进机主要研究的关键部件和易损件。经过几十年的工程实践，目前公认为Φ432mm的窄形单刃滚刀是最佳

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刀具。

2.1.1 刀具的结构

刀具由轴1、端盖2、金属浮动密封3、轴承4、刀圈5、挡圈6、刀体7、压板8、加油螺栓9等部分组成，详见图6 。有的结构中两轴承间采用隔圈形式。其中刀圈5、轴承4、浮动密封3是刀具的关键件。刀圈在均匀加热到150-2000C后热套在刀体上。刀圈的材料、热处理硬度和装配要求及更换磨损量见表2。

轴承均采用优质高承载能力的圆锥推力轴承，采用金属密封以确保刀体内油液保持一定的压力。以上措施均为了延长刀具的使用寿命，减少刀具损耗及减少换刀时间和降低成本。

表2 刀圈材料/硬度比较表

国 产 ROBBINS JAVA DEMAG WIRTH 材 料 9Cr2Mo AISI 4340 CrNiVMo CrMoV 6Cr4W2Mo2V 硬 度 刃部Rc55-58 刃部Rc56 刃部Rc58 刃部 刃部 Rc 56 内圈Rc 45 内圈Rc45 内圈Rc55 Rc 60 配 合 N6/n6 过 盈 紧配合 H6/p6 0.08-0.1mm 边刀 70 ? 70 ? 70 ? 40 ? 55? 最大倾角 刀圈 10mm 边刀12.7mm 12.7mm 12.7mm 边刀15mm 更换磨损量 正刀38mm 正刀38mm 76mm 76mm 76mm 76mm 84 中心刀 100mm 刀 正 软岩 100mm 89mm 76mm 间 石灰岩 75mm 距 刀 花岗岩 76mm 50.8mm 50.8mm 65-70 2.1.2 刀具的发展历史 掘进机的刀具是由石油钻机的牙轮钻演变而来的。从结构形式上经历了牙轮钻、球齿钻、双刃滚刀，发展到现在的单刃滚刀。

刀圈的形状经历了由不同刀尖角的宽形劈刀发展到现在的窄形滚刀。

刀具的直径从Φ280→Φ300→Φ350→Φ400→Φ432→Φ482→Φ432。这是兼顾了刀具轴承承载能力、延长刀具使用寿命、利于更换刀具的刀具自重等因素的综合结果。

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目前采用的Φ432mm的窄形单刃滚刀已被施工实践普遍接受。 2.1.3 刀具的运动特性

掘进机在掘进过程中，刀具做三维空间的复合运动。 a. 刀具随掘进机刀盘轴线推进做直线运动。

b. 刀具随掘进机刀盘回转沿着大轴承中心线做公转运动。

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c. 刀具靠刀圈和岩石的摩擦力绕刀具轴做自转运动。 无论直线或公转或自转运动，它的速度都是缓慢的。要求刀具的自转运动是纯滚动，如果有滑动必将加速刀具的损坏。 2.1.4 刀具的力学特性

掘进机在掘进过程中，刀具受到顺刀圈径向和侧向的复合压力及刀圈和岩石的摩擦力。

a. 在均一完整的岩石中，刀具受到的主要是径向压力，根据刀具的级别，每把刀具承受的压力如表3：

表3 Φ432mm窄形单刃滚刀额定压力 单位：kN

级别 额定压力

b. 在均一完整的岩石中，刀具受到的侧向力并不大，主要是刀具在绕大轴承公转时破碎岩石的过程中，其外侧切割岩石量必然大于内侧，因此侧向力是指向公转轴心的。这个力学特性可以指导我们在刀具安装时应将刀体的凸缘安装在刀盘内侧，这样有利于刀圈与刀体的结合。

c. 由于实际的掌子面岩石是不均质和有裂纹的，在掘进过程中经过换刀，新、旧刀交替使用，各刀磨损量也不一致，因此实际每把滚刀受力是不均一的。由于岩石破碎的突发和间断性造成的冲击和振动会产生刀具受力的瞬时峰值。经大量试验检测，一般这种峰值是刀具额定受力的1.8~2倍。

d. 刀具破碎岩石的过程伴随着机械能转换成热能的过程。刀具与岩石摩擦产生的大量热能，特别是刀圈直接压入岩石部分的局部高温将改变原刀圈热处理HRc58的硬度，这将降低刀圈的寿命。因此随时配臵水雾冷却，必要时配臵泡沫剂作降温处理是必要的。

轻 210 中 240 重 270 特重 310 2.1.5 刀具的寿命

刀具是掘进机使用过程中用量最大的易耗品。一般开挖10km硬岩隧道，刀具的使用消耗将占整机价格的30%左右。刀具的寿命又直接决定了换刀次数和换刀停机时间，一般情况下换刀时间占全部时间的10~20%左右。因此刀具的使用寿命直接影响了开挖成本和掘进机的作业率。

2.1.5.1刀具的寿命

目前使用的Φ432mm的窄形单刃滚刀综合使用寿命见表4。 表4 Φ432mm的窄形单刃滚刀综合使用寿命 岩石种类 完整石英片麻岩 花岗岩 砂岩、石灰岩 平均每刀 ~100 ~500 1500 ~2500 3破岩量m 2.1.5.2 刀具的损坏形式 20

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