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CN120099399A - 一种重型盾构滚刀刀圈、盘形滚刀与tmb盾构设备 - Google Patents

一种重型盾构滚刀刀圈、盘形滚刀与tmb盾构设备 Download PDF

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CN120099399A
CN120099399A CN202411985380.9A CN202411985380A CN120099399A CN 120099399 A CN120099399 A CN 120099399A CN 202411985380 A CN202411985380 A CN 202411985380A CN 120099399 A CN120099399 A CN 120099399A
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carrying
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韩文进
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Foshan Zhuhao Mechanical Equipment Co ltd
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Abstract

本发明公开了一种重型盾构滚刀刀圈、盘形滚刀与TMB盾构设备，属于掘进设备技术领域。所述刀圈主要金属元素质量百分比如下：C：0.48％～0.56％、Si：0.68％～0.78％、Mn：0.35％～0.47％、Cr：5％～5.6％、Mo：0.9％～1.5％、W：0.45％～0.56％、V：0.7％～0.85％、P/S：0.013、Ni：2.8％～3.6％、Cu：0.085％～0.096％，其余为Fe；其热处理工艺包括：将所述金属元素冶炼得到的钢锭1250℃高温扩散、多向锻造，开坯时反复镦拔成圆钢，锻圆超细化+下料锻打辗环成坯+二次细化+球化退火+粗加工后复合热处理+真空淬火、回火热处理；所述刀圈真空淬火：1030℃*(3‑5h)；3次回火热处理：350℃*3h*2次；(530‑540)℃*5h*1次，3次回火整体硬度分别对应为HRC59、HRC60、HRC62。

Description

一种重型盾构滚刀刀圈、盘形滚刀与TMB盾构设备
技术领域
本发明属于掘进设备技术领域，更具体地说，涉及一种重型盾构滚刀刀圈、盘形滚刀与TMB(Tunnel Boring Machine)盾构设备，该盾构滚刀刀圈适用于17英寸至26英寸的滚刀，尤其是24-26英寸滚刀。
背景技术
盾构掘进施工法在隧洞建设中得到广泛的应用，它不仅效率高、安全性好，而且经济环保，是现代隧洞工程施工的最佳选择，而盾构掘进机是其最现代化的专业设备。盘形滚刀结构是盾构掘进机上用于切削岩石和土层的专用刀具，它安装在刀盘上且在隧道施工时盘形滚刀结构刀圈被贯入岩石土层中，同时刀盘在旋转装置驱动下带动盘形滚刀结构实现公转和自转，使滚刀在岩石土层上连续滚压，完成对岩石土层的连续切削和破碎。
目前常用的TBM盾构滚刀是一种破岩刀具，通过刀圈对岩层的滚动碾压作用挤压破碎岩石，TBM盾构滚刀的好坏直接决定了盾构机的破岩效率。TBM盾构滚刀是将两套圆锥滚子轴承背靠背安装在滚轴上，中间用隔环进行隔开，刀圈安装在滚轮外圆上，工作时滚轴不动，刀圈随滚轮以及轴承外圈一起绕滚轴转动，同时滚刀随刀盘绕刀盘中心进行公转，以达到破碎岩石的目的。由此可以看出，刀圈作为滚刀的重要部件，其性能很大程度上决定了滚刀的使用寿命，在《TBM盘形滚刀刀圈材料热处理工艺研究》一文中披露了：TBM盘形滚刀以Wirth和Robbins品牌最为典型Wirth滚刀刀圈用钢多采用德国DIN标准牌号X50CrVMo5-1等热作模具钢，Robbins滚刀刀圈多采用美国AISI标准牌号4340等合金结构钢，而日本企业滚刀刀圈多采用日本(JS)G4404标准牌号SKD11等冷作模具钢；以及当前国产刀圈材料多采用国标牌号9Cr2Mo(GB/T 1299-2014)、40CrNiMo(GB/T 3077-2015)、4Cr5MoSiV1(GB/T1299-2014)等。
此外，国内对于刀圈材料组成的研究一直在持续，例如经检索，中国专利CN106756592A公开了一种隧道盾构施工用滚刀刀圈，包括圆盘形的刀圈本体，所述刀圈本体包括用于与刀毂焊接装配的台阶装配部以及用于切削的工作刃部，所述刀圈本体的外边缘通过等离子氮化形成有渗氮层；所述刀圈本体由硬质合金钢制备得到，并且所述硬质合金钢的元素组成中含有0.46-0.55wt％的C、0.20-0.80wt％的Mn、1.5-3.5wt％的Cr、0.30-0.80wt％的Mo、0.32-0.80wt％的Cu、0.05-0.20wt％的V，余量为Fe以及不可避免的金属杂质和非金属杂质；所述不可避免的非金属杂质包括Si、N、S、P和O，并且Si的含量≤0.20wt％，N的含量≤0.010wt％，P的含量≤0.010wt％，S的含量≤0.010wt％，O的含量≤20ppm；所述不可避免的金属杂质包括Ti、Zr和Al，并且Ti的含量≤0.02wt％，Zr的含量≤0.02wt％，Al的含量≤0.05wt％。
再如中国专利CN103484783A公开了一种盘形滚刀刀圈合金，成分质量百分比为C0.4％～0.46％、Si0.45％～1.0％、Mn0.48％～0.74％、Cr1.3％～5.4％、Mo0.4％～1.4％，V0.86％～1.33％、Nb0.06％～0.54％、Al0％～0.05％，Ni0％～3％，S≤0.009％、P≤0.03％，余量为Fe，其制备方法包括将原料真空感应熔炼、浇注、锻造、球化退火、气体渗碳、真空淬火和二次回火，制备出的盘形滚刀刀圈渗碳层厚达1mm，渗碳层表面硬度可达到60～63HRC，内部平均硬度大于55HRC，冲击韧性aku达到15～22J/cm2，盾构刀圈不但硬度高而且韧性好。
再如中国专利CN107345267A公开了一种TBM用盘形滚刀成分与质量百分比为：碳0.46％～0.58％；硅0.80％～1.20％；锰0.20％～0.60％；铬4.50％～5.80％；镍0.15％～0.40％；钼1.15％～1.55％；钒0.85％～1.40％；磷小于0.02％；硫小于0.01％；余量为铁。
再如中国专利CN105443137A公开了一种盘形滚刀用整体式刀圈，该整体式刀圈的化学成分质量百分含量为：C：0.39-0.42、Si：0.25-0.28、Mn：0.63-0.69、Cr：0.74-0.78、Mo：0.16-0.19、Ni：1.38-1.44、W：0.12-0.16、Nb：0.15-0.18、Cu：0.04-0.09、S：0.005-0.009、P：0.01-0.015，余量为Fe。
在上述材料组分的基础上，刀圈生产过程中要经过锻造、退火、淬火、回火等过程，其中淬火、回火作为最终热处理方法对于刀圈最终使用性能具有决定性影响。因此，国内众多科研工作者针对热处理方法展开了大量的研究：闫洪、陈磊等人发明了一种用于刀圈淬火的装置，在淬火过程中使刀圈内圆以及心部的冷速低于刀刃，从而使刀圈内圆及心部获得不同于刀圈刀刃的组织；杨龙兴通过控制刀圈入炉温度、升温速率、淬火温度与保温时间，保证刀圈的淬火质量；陈磊通过设定不同的淬火、回火温度以及保温时长，综合分析确定了刀圈最佳的淬火、回火工艺参数。
然而，经过大量的使用发现，现有技术中的刀圈整体硬度和冲击韧性均有待进一步提升。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种重型盾构滚刀刀圈，提升刀圈的整体硬度以及冲击韧性。
本发明的另一目的是提供一种重型盾构盘形滚刀。
本发明的另一目的是提供一种具有该盘形滚刀的TMB盾构设备。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明第一方面提供一种重型盾构滚刀刀圈，其主要金属元素质量百分比如下：C：0.48％～0.56％、Si：0.68％～0.78％、Mn：0.35％～0.47％、Cr：5％～5.6％、Mo：0.9％～1.5％、W：0.45％～0.56％、V：0.7％～0.85％、P/S：0.013、Ni：2.8％～3.6％、Cu：0.085％～0.096％，其余为Fe；其热处理工艺包括：将所述金属元素冶炼得到的钢锭1250℃高温扩散、多向锻造，开坯时反复镦拔成圆钢，锻圆超细化+下料锻打辗环成坯+二次细化+球化退火+粗加工后复合热处理+真空淬火、回火热处理；所述刀圈真空淬火：1030℃*(3-5h)；3次回火热处理：350℃*3h*2次；(530-540)℃*5h*1次，3次回火整体硬度分别对应为不低于HRC59、不低于HRC60、不低于HRC62。
经检测，10*10*55的标准U型口摆锤冲击实测：1)整体硬度HRC(洛氏硬度(Rockwell hardness))58-59，aku2＝28J，冲击韧性：35J/cm2；2)整体硬度HRC60-62，aku2＝14.75J，冲击韧性：17.8125J/cm2。
根据本发明目的的第一方面的任一实施方案，所述锻圆超细化包括：进行阶梯升温至1050℃的加热保温3h，在进行水淬空冷，反复交替作业，根据锻圆直径与长度大小，进行水淬入水时间与出水空冷时间，依次循环至最后一次出水后空冷温度在150℃-200℃时，立刻转入设定920℃的台车炉内，加热保温，使得整体受热均匀后保温5-7h，再随炉冷却至765℃-720℃左右，保温6-7h后，随炉冷却至350℃出炉，二次细化的步骤如上相同。经过上述步骤处理得到的样品，检测其晶粒度达8.5级及以上。
根据本发明目的的第一方面的任一实施方案，所述多向锻造包括：多向锻造温度，始锻温度1130-1150℃，终锻温度900±10℃，压下率由40％-30％-20％-10％-5％逐步减少，稳定热原体。
根据本发明目的的第一方面的任一实施方案，所述复合热处理为碳氮共渗复合热处理工艺，渗层深在1.1-1.3mm的渗层强度，采用温度850℃-870℃进行碳氮共渗，能够提高刀圈的耐磨性和接触疲劳抗力。
本发明第二方面提供一种重型盾构盘形滚刀，包括：
刀轴，其具有一轴颈台阶，沿所述刀轴的外圆周面设有螺纹；
套设于所述刀轴上的上圆锥滚子轴承和下圆锥滚子轴承，两套圆锥滚子轴承内套采用80℃热装在刀轴上，所述上圆锥滚子轴承和下圆锥滚子轴承之间通过隔环分隔开；其中上圆锥滚子轴承和下圆锥滚子轴承内套端面之间安装弹性隔环，在两套圆锥滚子轴承安装预紧的时候，利用隔环弹性性能配置调整轴承游隙，以达到正常所需的预紧力。
套设于所述上圆锥滚子轴承和下圆锥滚子轴承外部的刀毂；所述上圆锥滚子轴承、下圆锥滚子轴承外圈在刀圈热装在刀毂上的时候，利用刀毂在热胀度合适的时间后，快速将上圆锥滚子轴承、下圆锥滚子轴承外圈平稳放进刀毂相应的轴承外圈位置处；
套设于所述刀毂外部圆周方向的至少一个刀圈(在一些情况下，可以设置两个以上的刀圈)，所述刀圈一侧设置有挡圈，所述挡圈与所述刀毂固定(例如焊接)；
以及设置于所述刀轴的轴向两端的上盖组件及下盖组件，所述上盖组件与所述上圆锥滚子轴承之间设有上浮动密封；所述下盖组件与所述下圆锥滚子轴承之间设有下浮动密封。
根据本发明目的的第二方面的任一实施方案，所述弹性隔环采用优质的弹簧钢，其轮廓形状为H型，弹性隔环进行毛坯初加工、热处理调质、精加工配置成型工艺，令发明人惊奇的是，上圆锥滚子轴承和下圆锥滚子轴承均抵靠在H型弹性隔环上，H型结构有效地保证弹性隔环端面强度，以及H型结构具有较好的弹性形变力学性能。通过大量的试验和使用分析得到，在保证上圆锥滚子轴承以及下圆锥滚子轴承在上端盖、下端盖前提下，H型弹性隔环能够调整预紧力，从而调节上圆锥滚子轴承以及下圆锥滚子轴承的游隙，根据不同的地质要求，配置达到合理的滚刀启动扭矩与旋转扭矩。
根据本发明目的的第二方面的任一实施方案，所述上盖组件包括上端盖、上油封支架、锁紧片、上密封防尘圈、泄压阀以及若干O型密封圈A；
所述的上端盖采用内螺纹与所述刀轴预紧在上圆锥滚子轴承大端面处，所述上端盖在预紧上圆锥滚子轴承的过程中与上圆锥滚子轴承内套大端面之间加装O型密封圈A，进行端面密封；
所述的上端盖采用内螺纹与所述刀轴预紧在上圆锥滚子轴承大端面处，同时对上圆锥滚子轴承、下圆锥滚子轴承和中间的弹性隔环同步预紧，调整滚刀扭矩所对应的围岩强度；
所述上油封支架设置在所述上端盖内侧，所述上浮动密封设置在上油封支架上；所述上油封支架与所述刀毂之间的端面采用至少两道O型密封圈A密封；
所述上油封支架使用材质42CrMo调质件、精加工成型，再进行表面0.7mm的氮化工艺处理，或者使用调质件粗车外形后对外斜口进行感应淬火，提高表面耐磨强度，再进行内部尺寸的精加工工艺完成设计尺寸；
所述上端盖与上油封支架在装配过程中由所述上密封防尘圈进行静摩擦间隙式阶梯密封，在不影响起动扭矩的情况下，增强密封效果，最大限度阻滞泥沙侵蚀；两者之间还增设一道O型密封圈A密封在上密封防尘圈下方；
L型上密封防尘圈采用高分子超耐磨聚酰亚咹TPI材质，具有尺寸稳定、高刚度、韧性好、耐磨耐高温、耐腐蚀的优点，更好地稳定刀毂密封性能，严防泥沙颗粒物对刀毂的侵蚀，进一步保护刀毂内上浮动密封和上圆锥滚子轴承安全使用，延长重型滚刀使用寿命具有实际意义；
所述上端盖预紧到位后在刀轴上端套入所述锁紧片进行周边坡口焊接，定位在刀轴与上端盖上进行焊接止位，防止上端盖螺纹松动对上圆锥滚子轴承整体预紧力的影响；
所述的上端盖开设有两个对称分布的ZG1/4孔，进行注油和测气，并配置一个单孔泄压阀，在刀毂内部压力大于外部压力3bar的时候自动排出体内压力，对刀毂内部压力起平衡作用，同时保护刀毂内上浮动密封的安全使用。
根据本发明目的的第二方面的任一实施方案，所述下盖组件包括轴承支撑座、下端盖、下油封支架、下密封防尘圈、若干O型密封圈B；
所述轴承支撑座热装在所述刀轴底部且与轴颈台阶相抵靠，所述轴承支撑座与轴颈台阶配置O型密封圈B进行密封；所述轴承支撑座与下圆锥滚子轴承的内圈采用O型密封圈B密封，所述轴承支撑座外侧圆周面设有螺纹，所述下端盖与螺纹连接方式预紧，同时在端面接触部位配置O型密封圈B；
所述下油封支架设置在所述下端盖内侧，所述下浮动密封设置在下油封支架上；所述下油封支架与所述刀毂之间的端面采用至少两道O型密封圈B密封；
所述下油封支架使用材质42CrMo调质件、精加工成型，再进行表面0.7mm的氮化工艺处理，或者使用调质件粗车外形后对外斜口进行感应淬火，提高表面耐磨强度，再进行内部尺寸的精加工工艺完成设计尺寸；
所述下端盖与下油封支架在装配过程中由所述下密封防尘圈进行静摩擦间隙式阶梯密封，在不影响起动扭矩的情况下，增强密封效果，最大限度阻滞泥沙侵蚀；两者之间还增设一道O型密封圈B密封在下密封防尘圈上方。
L型所述下密封防尘圈采用高分子超耐磨聚酰亚咹TPI材质，具有尺寸稳定、高刚度、韧性好、耐磨耐高温、耐腐蚀的优点，更好地稳定刀毂密封性能，严防泥沙颗粒物对刀毂的侵涉，进一步保护刀毂内下浮动密封和下圆锥滚子轴承分安全使用，延长重型滚刀使用寿命具有实际意义。
本发明第三方面提供一种具有第二方面所述盘形滚刀的TMB盾构设备，包括刀盘，所述盘形滚刀设置在刀盘上。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的重型盾构滚刀刀圈，当整体硬度HRC58-59，aku2＝28J，冲击韧性：35J/cm2；当整体硬度HRC60-62，aku2＝14.75J，冲击韧性：17.8125J/cm2，金相组织为马氏体，相比现有技术中5H13的力学性能有明显提高，刀圈的性能较好，能够有效地提升刀圈的使用寿命。
(2)本发明的重型盾构盘形滚刀，L型下密封防尘圈采用高分子超耐磨聚酰亚咹TPI材质，具有尺寸稳定、高刚度、韧性好、耐磨耐高温、耐腐蚀的优点，更好地稳定刀毂密封性能，严防泥沙颗粒物对刀毂的侵涉，进一步保护刀毂内下浮动密封和下圆锥滚子轴承分安全使用，延长重型滚刀使用寿命具有实际意义。
附图说明
以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。
图1为本发明的重型盾构盘形滚刀刀圈的晶粒度检测结果；
图2为本发明的重型盾构盘形滚刀的结构示意图；
图3为图2的A部的放大结构示意图；
图4为图2的B部的放大结构示意图；
图5为本发明的重型盾构盘形滚刀的隔环安装结构示意图；
图6-图8为现有技术5H13的重型盾构盘形滚刀刀圈的第三方检测报告；
图9-图11为实施例1的重型盾构盘形滚刀的第三方检测报告；
图12为实施例1的重型盾构盘形滚刀刀圈的冲击韧性数值。
附图标记说明：
1、刀轴；1-1、轴颈台阶；2、上圆锥滚子轴承；3、下圆锥滚子轴承；4、隔环；5、刀毂；6、刀圈；7、挡圈；
8、上盖组件；8-1、上端盖；8-2、上油封支架；8-3、锁紧片；8-4、上密封防尘圈；8-5、泄压阀；8-6、O型密封圈A；
9、下盖组件；9-1、轴承支撑座；9-2、下端盖；9-3、下油封支架；9-4、下密封防尘圈；9-5、O型密封圈B；9-6、配置孔；
10、上浮动密封；
11、下浮动密封。
具体实施方式
下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。
下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。
TBM盾构设备在岩层组织较为均匀一致的地层作业时，滚刀所承受的载荷变化也较平缓；当TBM盾构设备作业于硬度不均的岩层或者岩层组织突然变硬，都可能会导致滚刀的刀圈6局部瞬时过载而造成刀圈6断裂，因此，需要提升刀圈6的整体强度。本发明的重型盾构滚刀刀圈6的主要金属元素质量百分比如下：C：0.48％～0.56％、Si：0.68％～0.78％、Mn：0.35％～0.47％、Cr：5％～5.6％、Mo：0.9％～1.5％、W：0.45％～0.56％、V：0.7％～0.85％、P/S：0.013、Ni：2.8％～3.6％、Cu：0.085％～0.096％，其余为Fe；其热处理工艺包括：将所述金属元素冶炼得到的钢锭1250℃高温扩散、多向锻造，开坯时反复镦拔成圆钢，锻圆超细化+下料锻打辗环成坯+二次细化+球化退火+粗加工后复合热处理+真空淬火、回火热处理；为了防止刀圈6在淬火加热时发生表面脱碳，所述刀圈6真空淬火：1030℃*(3-5h)；淬火后的刀圈6应及时进行热处理，3次回火热处理：350℃*3h*2次；(530-540)℃*5h*1次，3次回火整体硬度分别对应为不低于HRC59、不低于HRC60、不低于HRC62。
其中，通过控制P/S的比例，尽量减少S、P等危害元素的百分含量。3次回火的目的是由于本发明的刀圈6合金元素含量较高，淬火后全相组织中残余奥氏体含量较高、硬度偏低，淬火后第一次回火可促使部分奥氏体的分解和对淬火马氏体进行回火，第一次回火冷却过程中部分未分解的奥氏体会转变为二次马氏体；第二次回火是对二次马氏体的回火并进一步促进奥氏体分解，减少奥氏体含量；通过第三次回火可使奥氏体含量达到较低水平，提高材料硬度和组织稳定性，金相组织为马氏体，且硬度分布均匀。
本发明得到的刀圈6经检测，10*10*55的标准U型口摆锤冲击实测：1)整体硬度HRC58-59，aku2＝28J，冲击韧性：35J/cm2；2)整体硬度HRC60-62，aku2＝14.75J，冲击韧性：17.8125J/cm2。
需要说明的是，与本发明组分较为接近的6Cr4Mo2W2V为一种高合金模具钢，其组分中含有1.8％～2.2％的W，0.8％～1.2％的V，2.2％～2.6％的Mo，含有较高的铬、钼和钨，具有良好淬透性、耐磨性和韧性，应用于岩石抗压硬度较高的情况，然而，本发明的组分中含有0.45％～0.56％的W，0.7％～0.85％的V，0.9％～1.5％的Mo，0.085％～0.096％的Cu。对于本发明与6Cr4Mo2W2V相比，组分配比存在较大的差别，分析可能的原因是：在未降低整体洛氏硬度和冲击韧性的前提下，Cu元素的加入，降低了铬、钼和钨的使用含量。
在本发明中，所述锻圆超细化包括：进行阶梯升温至1050℃的加热保温3h，在进行水淬空冷，反复交替作业，根据锻圆直径与长度大小，进行水淬入水时间与出水空冷时间，依次循环至最后一次出水后空冷温度在150℃-200℃时，立刻转入设定920℃的台车炉内，加热保温，使得整体受热均匀后保温5-7h，再随炉冷却至765℃-720℃左右，保温6-7h后，随炉冷却至350℃出炉，二次细化的步骤如上相同。
进一步的，所述多向锻造包括：多向锻造温度，始锻温度1130-1150℃，终锻温度900±10℃，压下率由40％-30％-20％-10％-5％逐步减少，稳定热原体。
进一步的，所述复合热处理为碳氮共渗复合热处理工艺，渗层深在1.1-1.3mm的渗层强度，采用温度850℃-870℃进行碳氮共渗，能够提高刀圈6的耐磨性和接触疲劳抗力。
具体的球化退火包括：将刀圈6加热到880-900℃后随炉冷却至750-760℃，保温1小时后，再次加热到880-900℃后随炉冷却至750-760℃保温。
结合图2至图5所示，本发明的重型盾构盘形滚刀包括刀轴1、上圆锥滚子轴承2、下圆锥滚子轴承3、刀毂5、刀圈6、上盖组件8及下盖组件9。
其中，在图2中，所述刀轴1具有一轴颈台阶1-1，沿所述刀轴1的外圆周面设有螺纹；套设于所述刀轴1上的上圆锥滚子轴承2和下圆锥滚子轴承3，两套圆锥滚子轴承内套采用80℃热装在刀轴1上，所述上圆锥滚子轴承2和下圆锥滚子轴承3之间通过隔环4分隔开；其中上圆锥滚子轴承2和下圆锥滚子轴承3内套端面之间安装弹性隔环4，在两套圆锥滚子轴承安装预紧的时候，利用隔环4弹性性能配置调整圆锥滚子轴承游隙，以达到正常所需的预紧力。
滚刀的启动扭矩主要靠调整两套圆锥滚子轴承的外圈与内圈保持架滚柱之间的游隙尺寸来实现，由于轴承外圈位置是固定的，游隙尺寸主要依靠调整在两只轴承保持架滚柱内圈之间的隔环的高度来实现。而滚刀的刀毂、刀轴、端盖、轴承、浮动密封等涉及到扭矩大小的配件均属于机加工产品，各配件合尺寸公差不可能达到完全一致，装配后的尺寸精度属于积累精度。因此轴承的游隙尺寸调整往往需要针对每把滚刀单独配置，也就是对轴承隔环进行专门配置；目前调整隔环的高度的办法是选取一定高度的隔环套入刀轴进行完整的预装配后，再测量实际扭矩，根据测量扭矩的大小来对隔环按每段0.5mm阶梯尺寸来增厚或减薄，反复试装滚刀才能达到或接近工艺设定扭矩。
需要说明的是，在本实施例中，所述弹性隔环4采用优质的弹簧钢(例如60Si2Mn)，如图5所示，其轮廓形状为H型，令发明人惊奇的是，上圆锥滚子轴承和下圆锥滚子轴承均抵靠在H型弹性隔环上，H型结构有效地保证弹性隔环端面强度，以及H型结构具有较好的弹性形变力学性能。通过大量的试验和使用分析得到，在保证上圆锥滚子轴承以及下圆锥滚子轴承在上端盖、下端盖前提下，H型弹性隔环能够调整预紧力，从而调节上圆锥滚子轴承以及下圆锥滚子轴承的游隙，根据不同的地质要求，配置达到合理的滚刀启动扭矩与旋转扭矩。
进一步的，所述弹性隔环4制作工艺过程如下：钢管下料--粗车成型--热处理调质：淬火加热温度870℃，保温2小时后油淬，回火温度480℃，回火时间3小时出炉水冷。力学性能如下：
在图2中，所述刀毂5套设于所述上圆锥滚子轴承2和下圆锥滚子轴承3外部；所述上圆锥滚子轴承2、下圆锥滚子轴承3外圈在刀圈6热装在刀毂5上的时候，利用刀毂5在热胀度合适的时间后，快速将上圆锥滚子轴承2、下圆锥滚子轴承3外圈平稳放进刀毂5相应的轴承外圈位置处。
如图2和图3所示，一个刀圈6套设于所述刀毂5外部圆周方向，所述刀圈6一侧设置有挡圈7，所述挡圈7与所述刀毂5固定；所述刀圈6的刀刃角为16°，刀圈6采用过盈配合，一般加热到100-200℃安装到刀体上，挡圈7可以为两个半圆环，卡入刀毂5槽内再焊接为整环。
如图2、图3和图4所示，所述上盖组件8及下盖组件9设置于所述刀轴1的轴向两端，所述上盖组件8与所述上圆锥滚子轴承2之间设有上浮动密封10；所述下盖组件9与所述下圆锥滚子轴承3之间设有下浮动密封11。其中上浮动密封10、下浮动密封11的结构均为现有技术公开的结构。
结合图2和图3所述，所述上盖组件8包括上端盖8-1、上油封支架8-2、锁紧片8-3、上密封防尘圈8-4、泄压阀8-5以及若干O型密封圈A8-6；所述的上端盖8-1采用内螺纹与所述刀轴1预紧在上圆锥滚子轴承2大端面处，所述上端盖8-1在预紧上圆锥滚子轴承2的过程中与上圆锥滚子轴承2内套大端面之间加装O型密封圈A8-6，进行端面密封；所述的上端盖8-1采用内螺纹与所述刀轴1预紧在上圆锥滚子轴承2大端面处，同时对上圆锥滚子轴承2、下圆锥滚子轴承3和中间的弹性隔环4同步预紧，调整滚刀扭矩所对应的围岩强度。
在本实施例中，如图3所示，所述上油封支架8-2设置在所述上端盖8-1内侧，所述上浮动密封10设置在上油封支架8-2上；所述上油封支架8-2与所述刀毂5之间的端面采用两道O型密封圈A8-6密封；所述上油封支架8-2使用材质42CrMo调质件、精加工成型，再进行表面0.7mm的氮化工艺处理，或者使用调质件粗车外形后对外斜口进行感应淬火，提高表面耐磨强度，再进行内部尺寸的精加工工艺完成设计尺寸。
其中，所述上端盖8-1与上油封支架8-2在装配过程中由所述上密封防尘圈8-4进行静摩擦间隙式阶梯密封，在不影响起动扭矩的情况下，增强密封效果，最大限度阻滞泥沙侵蚀；两者之间还增设一道O型密封圈A8-6密封在上密封防尘圈8-4下方。
进一步的，本发明的滚刀用于地下掘进，存在大量的泥沙，L型上密封防尘圈8-4采用高分子超耐磨聚酰亚咹TPI材质，具有尺寸稳定、高刚度、韧性好、耐磨耐高温、耐腐蚀的优点，更好地稳定刀毂5密封性能，严防泥沙颗粒物对刀毂5的侵涉，进一步保护刀毂5内上浮动密封和上圆锥滚子轴承2分安全使用，延长重型滚刀使用寿命具有实际意义。
为了防止上端盖8-1螺纹松动对上圆锥滚子轴承2整体预紧力的影响，在图2中，所述上端盖8-1预紧到位后在刀轴1上端套入所述锁紧片8-3进行周边坡口焊接，定位在刀轴1与上端盖8-1上进行焊接止位。
结合图3所示，所述的上端盖8-1开设有两个对称分布的ZG1/4孔，进行注油和测气，并配置一个单孔泄压阀8-5，在刀毂5内部压力大于外部压力3bar的时候自动排出体内压力，对刀毂5内部压力起平衡作用，同时保护刀毂5内上浮动密封的安全使用。
结合图2和图4所示，所述下盖组件9包括轴承支撑座9-1、下端盖9-2、下油封支架9-3、下密封防尘圈9-4、若干O型密封圈B9-5；所述轴承支撑座9-1热装在所述刀轴1底部且与轴颈台阶1-1相抵靠，所述轴承支撑座9-1与轴颈台阶1-1配置O型密封圈B9-5进行密封；所述轴承支撑座9-1与下圆锥滚子轴承3的内圈采用O型密封圈B9-5密封，所述轴承支撑座9-1外侧圆周面设有螺纹，所述下端盖9-2与螺纹连接方式预紧，同时在端面接触部位配置O型密封圈B9-5。
需要说明的是，所述下端盖9-2设有四个均布的预紧扳手配置孔9-6进行与轴承支撑座9-1的预紧，同时在刀具维修的时候可以方便快速拆解下端盖9-2和下油封支架9-3，可以快速分解与组装，改变以往只能压下刀轴1才能拆下端盖9-2和下浮动密封11的局限性带来的不利：一方面刀轴1与圆锥滚子轴承内套多次压出、压进，配合的过盈量因磨损逐步减少，预紧力不高，导致圆锥滚子轴承在滚刀高负载的滚压情况下，产生轴向滑移，长时间后滚刀刀圈6偏磨、圆锥滚子轴承内套滚子异常磨损严重；另一方面，对上下端盖9-2进行组合型设计与装配方法有利于滚刀在保证正常滚动破岩的同时，可以快速装配与快速解体分析滚刀刀毂5内部情况，快速维修更换下浮动密封11与各位密封件。
在本实施例中，如图4所示，所述下油封支架9-3设置在所述下端盖9-2内侧，所述下浮动密封11设置在下油封支架9-3上；所述下油封支架9-3与所述刀毂5之间的端面采用两道O型密封圈B9-5密封。
进一步的，所述下油封支架9-3使用材质42CrMo调质件、精加工成型，再进行表面0.7mm的氮化工艺处理，或者使用调质件粗车外形后对外斜口进行感应淬火，提高表面耐磨强度，再进行内部尺寸的精加工工艺完成设计尺寸。
进一步的，如图4所示，所述下端盖9-2与下油封支架9-3在装配过程中由所述下密封防尘圈9-4进行静摩擦间隙式阶梯密封，在不影响起动扭矩的情况下，增强密封效果，最大限度阻滞泥沙侵蚀；两者之间还增设一道O型密封圈B9-5密封在下密封防尘圈9-4上方。
其中，L型下密封防尘圈9-4采用高分子超耐磨聚酰亚咹TPI材质，具有尺寸稳定、高刚度、韧性好、耐磨耐高温、耐腐蚀的优点，更好地稳定刀毂5密封性能，严防泥沙颗粒物对刀毂5的侵涉，进一步保护刀毂5内下浮动密封11和下圆锥滚子轴承3分安全使用，延长重型滚刀使用寿命具有实际意义。
实施例1
本实施例的重型盾构滚刀刀圈6的主要金属元素质量百分比如下：C：0.56％、Si：0.68％、Mn：0.35％、Cr：5％、Mo：1.5％、W：0.45％、V：0.7％、P/S：0.013、Ni：2.8％、Cu：0.096％，其余为Fe；其热处理工艺包括：将所述金属元素冶炼得到的钢锭1250℃高温扩散、多向锻造，开坯时反复镦拔成圆钢，锻圆超细化+下料锻打辗环成坯+二次细化+球化退火+粗加工后复合热处理+真空淬火、回火热处理；为了防止刀圈6在淬火加热时发生表面脱碳，所述刀圈6真空淬火：1030℃*5h；淬火后的刀圈6应及时进行热处理，3次回火热处理：350℃*3h*2次；535℃*5h*1次，3次回火整体硬度分别对应为HRC59、HRC60、HRC62。
其中，所述锻圆超细化包括：进行阶梯升温至1050℃的加热保温3h，在进行水淬空冷，反复交替作业，根据锻圆直径与长度大小，进行水淬入水时间与出水空冷时间，依次循环至最后一次出水后空冷温度在150℃时，立刻转入设定920℃的台车炉内，加热保温，使得整体受热均匀后保温5h，再随炉冷却至720℃左右，保温6h后，随炉冷却至350℃出炉，二次细化的步骤如上相同。经过上述步骤处理得到的样品，检测晶粒度达8.5级，如图1所示。
进一步的，所述多向锻造包括：多向锻造温度，始锻温度1130℃，终锻温度900℃，压下率由40％-30％-20％-10％-5％逐步减少，稳定热原体。
进一步的，所述复合热处理为碳氮共渗复合热处理工艺，渗层深在1.1mm的渗层强度，采用温度850℃进行碳氮共渗，能够提高刀圈6的耐磨性和接触疲劳抗力。
具体的球化退火：将刀圈6加热到880℃后随炉冷却至750℃，保温1小时后，再次加热到880℃后随炉冷却至750℃保温。
对得到的刀圈进行检测，结果如图12所示，将刀圈安装于滚到上，并对其进行检测，结果如图9-图11所示，重型盾构滚刀刀圈具有最佳的力学性能的同时具备超高渗层的耐磨性能，完全适合肩负大盾构、大直径、高载荷滚刀的技术配置要求。
实施例2
本实施例的重型盾构滚刀刀圈6的主要金属元素质量百分比如下：C：0.48％、Si：0.68％、Mn：0.35％、Cr：5％、Mo：0.9％、W：0.45％、V：0.85％、P/S：0.013、Ni：3.6％、Cu：0.096％，其余为Fe；其热处理工艺包括：将所述金属元素冶炼得到的钢锭1250℃高温扩散、多向锻造，开坯时反复镦拔成圆钢，锻圆超细化+下料锻打辗环成坯+二次细化+球化退火+粗加工后复合热处理+真空淬火、回火热处理；为了防止刀圈6在淬火加热时发生表面脱碳，所述刀圈6真空淬火：1030℃*4h；淬火后的刀圈6应及时进行热处理，3次回火热处理：350℃*3h*2次；530℃*5h*1次。
其中，所述锻圆超细化包括：进行阶梯升温至1050℃的加热保温3h，在进行水淬空冷，反复交替作业，根据锻圆直径与长度大小，进行水淬入水时间与出水空冷时间，依次循环至最后一次出水后空冷温度在180℃时，立刻转入设定920℃的台车炉内，加热保温，使得整体受热均匀后保温6h，再随炉冷却至740℃左右，保温6h后，随炉冷却至350℃出炉，二次细化的步骤如上相同。
进一步的，所述多向锻造包括：多向锻造温度，始锻温度1140℃，终锻温度910℃，压下率由40％-30％-20％-10％-5％逐步减少，稳定热原体。
进一步的，所述复合热处理为碳氮共渗复合热处理工艺，渗层深在1.2mm的渗层强度，采用温度860℃进行碳氮共渗，能够提高刀圈6的耐磨性和接触疲劳抗力。
具体的球化退火：将刀圈6加热到890℃后随炉冷却至755℃，保温1小时后，再次加热到890℃后随炉冷却至755℃保温。
实施例3
本实施例的重型盾构滚刀刀圈6的主要金属元素质量百分比如下：C：0.48％、Si：0.68％、Mn：0.47％、Cr：5.6％、Mo：0.9％、W：0.56％、V：0.7％、P/S：0.013、Ni：2.8％、Cu：0.085％，其余为Fe；其热处理工艺包括：将所述金属元素冶炼得到的钢锭1250℃高温扩散、多向锻造，开坯时反复镦拔成圆钢，锻圆超细化+下料锻打辗环成坯+二次细化+球化退火+粗加工后复合热处理+真空淬火、回火热处理；所述刀圈6真空淬火：1030℃*5h；淬火后的刀圈6应及时进行热处理，3次回火热处理：350℃*3h*2次；530-℃*5h*1次。
其中，所述锻圆超细化包括：进行阶梯升温至1050℃的加热保温3h，在进行水淬空冷，反复交替作业，根据锻圆直径与长度大小，进行水淬入水时间与出水空冷时间，依次循环至最后一次出水后空冷温度在200℃时，立刻转入设定920℃的台车炉内，加热保温，使得整体受热均匀后保温7h，再随炉冷却至765℃，保温7h后，随炉冷却至350℃出炉，二次细化的步骤如上相同。
进一步的，所述多向锻造包括：多向锻造温度，始锻温度1150℃，终锻温度900℃，压下率由40％-30％-20％-10％-5％逐步减少，稳定热原体。
进一步的，所述复合热处理为碳氮共渗复合热处理工艺，渗层深在1.3mm的渗层强度，采用温度870℃进行碳氮共渗，能够提高刀圈6的耐磨性和接触疲劳抗力。
具体的球化退火：将刀圈6加热到900℃后随炉冷却至760℃，保温1小时后，再次加热到900℃后随炉冷却至760℃保温。
以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种重型盾构滚刀刀圈(6)，其特征在于，所述刀圈(6)主要金属元素质量百分比如下：C：0.48％～0.56％、Si：0.68％～0.78％、Mn：0.35％～0.47％、Cr：5％～5.6％、Mo：0.9％～1.5％、W：0.45％～0.56％、V：0.7％～0.85％、P/S：0.013、Ni：2.8％～3.6％、Cu：0.085％～0.096％，其余为Fe；其热处理工艺包括：将所述金属元素冶炼得到的钢锭1250℃高温扩散、多向锻造，开坯时反复镦拔成圆钢，锻圆超细化+下料锻打辗环成坯+二次细化+球化退火+粗加工后复合热处理+真空淬火、回火热处理；所述刀圈(6)真空淬火：1030℃*(3-5h)；3次回火热处理：350℃*3h*2次、(530-540)℃*5h*1次。
2.根据权利要求1所述的重型盾构滚刀刀圈(6)，其特征在于，所述锻圆超细化包括：进行阶梯升温至1050℃的加热保温3h，在进行水淬空冷，反复交替作业，依次循环至最后一次出水后空冷温度在150℃-200℃时，立刻转入设定920℃的台车炉内，加热保温，使得整体受热均匀后保温5-7h，再随炉冷却至765℃-720℃，保温6-7h后，随炉冷却至350℃出炉。
3.根据权利要求2所述的重型盾构滚刀刀圈(6)，其特征在于，所述多向锻造包括：多向锻造始锻温度1130-1150℃，终锻温度900±10℃，压下率由40％-30％-20％-10％-5％逐步减少。
4.根据权利要求3所述的重型盾构滚刀刀圈(6)，其特征在于，所述复合热处理为碳氮共渗复合热处理工艺，渗层深在1.1-1.3mm的渗层强度，采用温度850℃-870℃进行碳氮共渗。
5.一种重型盾构盘形滚刀，其特征在于，包括：
刀轴(1)，其具有一轴颈台阶(1-1)，沿所述刀轴(1)的外圆周面设有螺纹；
套设于所述刀轴(1)上的上圆锥滚子轴承(2)和下圆锥滚子轴承(3)，所述上圆锥滚子轴承(2)和下圆锥滚子轴承(3)之间通过隔环(4)分隔开；
套设于所述上圆锥滚子轴承(2)和下圆锥滚子轴承(3)外部的刀毂(5)；
套设于所述刀毂(5)外部圆周方向的至少一个刀圈(6)，所述刀圈(6)一侧设置有挡圈(7)，所述挡圈(7)与所述刀毂(5)固定；所述刀圈(6)为权利要求1-4任意一项所述的重型盾构滚刀刀圈(6)；
以及设置于所述刀轴(1)的轴向两端的上盖组件(8)及下盖组件(9)，所述上盖组件(8)与所述上圆锥滚子轴承(2)之间设有上浮动密封(10)；所述下盖组件(9)与所述下圆锥滚子轴承(3)之间设有下浮动密封(11)。
6.根据权利要求5所述的重型盾构盘形滚刀，其特征在于，所述隔环(4)的材质采用弹簧钢，其轮廓形状为H型。
7.根据权利要求5所述的重型盾构盘形滚刀，其特征在于，所述上盖组件(8)包括上端盖(8-1)、上油封支架(8-2)、锁紧片(8-3)、上密封防尘圈(8-4)、泄压阀(8-5)以及若干O型密封圈A(8-6)；
所述的上端盖(8-1)采用内螺纹与所述刀轴(1)预紧在上圆锥滚子轴承(2)大端面处，所述上端盖(8-1)在预紧上圆锥滚子轴承(2)的过程中与上圆锥滚子轴承(2)内套大端面之间加装O型密封圈A(8-6)，进行端面密封；所述的上端盖(8-1)采用内螺纹与所述刀轴(1)预紧在上圆锥滚子轴承(2)大端面处；
所述上油封支架(8-2)设置在所述上端盖(8-1)内侧，所述上浮动密封(10)设置在上油封支架(8-2)上；所述上油封支架(8-2)与所述刀毂(5)之间的端面采用至少两道O型密封圈A(8-6)密封；
所述上端盖(8-1)与上油封支架(8-2)在装配过程中由所述上密封防尘圈(8-4)进行静摩擦间隙式阶梯密封；
所述上端盖(8-1)预紧到位后在刀轴(1)上端套入所述锁紧片(8-3)进行周边坡口焊接。
8.根据权利要求7所述的重型盾构盘形滚刀，其特征在于，所述上端盖(8-1)与上油封支架(8-2)之间还增设一道O型密封圈A(8-6)密封在上密封防尘圈(8-4)下方。
9.根据权利要求5所述的重型盾构盘形滚刀，其特征在于，所述下盖组件(9)包括轴承支撑座(9-1)、下端盖(9-2)、下油封支架(9-3)、下密封防尘圈(9-4)以及若干O型密封圈B(9-5)；
所述轴承支撑座(9-1)热装在所述刀轴(1)底部且与轴颈台阶(1-1)相抵靠，所述轴承支撑座(9-1)与轴颈台阶(1-1)配置O型密封圈B(9-5)进行密封；所述轴承支撑座(9-1)与下圆锥滚子轴承(3)的内圈采用O型密封圈B(9-5)密封，所述轴承支撑座(9-1)外侧圆周面设有螺纹，所述下端盖(9-2)与螺纹连接方式预紧，在端面接触部位配置O型密封圈B(9-5)；
所述下油封支架(9-3)设置在所述下端盖(9-2)内侧，所述下浮动密封(11)设置在下油封支架(9-3)上；所述下油封支架(9-3)与所述刀毂(5)之间的端面采用至少两道O型密封圈B(9-5)密封；
所述下端盖(9-2)与下油封支架(9-3)在装配过程中由所述下密封防尘圈(9-4)进行静摩擦间隙式阶梯密封。
10.一种具有权利要求5-9任意一项所述重型盾构盘形滚刀的TMB盾构设备。
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