一种盾构机刀具的制作方法

本发明涉及盾构机刀具技术领域，尤其涉及一种盾构机刀具。

背景技术：

当前我国各大城市正蓬勃建设轨道交通工程，盾构法由于其无可比拟的优势，在轨道交通隧道建设中取得广泛应用。随着线路的持续修建和加密，盾构掘进过程中遭遇已有建(构)筑物桩基等地下障碍物的情况时有发生。由于现有的盾构机刀具在设计时并未考虑切削钢筋混凝土桩基的问题，也基本不具备直接切桩的能力，因此一般采取桩基托换后人工截桩、拆除上部结构后拔桩、开挖竖井后人工凿桩等传统方法事先移除障碍桩。这些传统方法虽然简单、安全，但成本高、影响环境大、工期长，因此，若能通过改进刀具，使得盾构直接切削钢筋混凝土桩基成为可能，将对节省工程投资、减小周边环境影响、缩短工期等方面具有重要意义，经济和社会效益显著。

轨道交通线路一般均经过商业中心、密集住宅区、大型公共场所等城市核心区域，而这些地方往往存在高耸的建筑物或大型桥梁，其桩基础也通常较深、较粗。对于切削较粗的大直径桩基，其最大难点在于如何切断其中的粗钢筋，这是现有的常规刀具几乎无法做到的；第二大难点是需要切削大体量的含粗骨料的混凝土，这给刀具的耐磨性能和抗冲击性能提出了巨大挑战。

经检索，中国专利申请，公开号：CN103668100A，公开日：2014.03.26，公开了一种等离子体处理盾构机刀具的方法，包括如下步骤：对盾构机刀具进行前期处理，包括对盾构机刀具进行表面抛光、超声清洗和烘干处理；将烘干处理后的盾构机刀具输送至第一预真空室并对盾构机刀具进行抽真空处理；将抽真空处理后的盾构机刀具输送至等离子体处理系统并对盾构机刀具进行等离子体处理，在盾构机刀具的表面沉积薄膜材料；将等离子体处理后的盾构机刀具输送至第二预真空室进行真空静置处理，输送至出料台；对真空静置处理后的盾构机刀具进行成品检测。该发明的工艺过程中无量化指标，而且沉积的薄膜材料侧重于弹性缓冲，应用于复杂工矿时，润滑油内铁质颗粒和粉末会越积越多，致使盾构机刀具使用寿命有限。

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

针对现有技术中存在盾构机刀具耐磨性能和抗冲击性较差以及润滑油内铁质颗粒和粉末导致其使用寿命有限的问题，本发明提供了一种盾构机刀具。它通过增加连通滚刀内腔的磁性螺塞，将铁质颗粒和粉末吸附，达到提高盾构机刀具使用寿命的目的。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种盾构机刀具，包括刀圈、刀轴、刀毂、轴承和封盖，轴承为两组，分别通过上、下封盖和刀毂的配合密封并滚动式固定于刀轴周缘，所述刀圈可拆卸固定于刀毂的周缘；两组轴承之间形成容纳润滑油的内腔，所述刀轴内部，沿其径线加工有与内腔相通的磁护通道，并在磁护通道的外孔口处固定安装磁性螺塞。

进一步的技术方案，刀圈由外向内依次为刀圈外缘、弧形过渡连接部和内孔，所述刀圈外缘和内孔之间为对称式向内的弧形过渡连接部；所述刀圈外缘的两侧熔敷有一层耐磨堆焊层。

进一步的技术方案，弧形过渡连接部的弧度为50～55°；所述耐磨堆焊层的厚度为3.0～3.5mm；所述刀圈外缘的宽度为刀圈直径的1/6～1/5；所述磁护通道开在刀轴的固定孔内，并由固定螺栓将磁性螺塞顶紧在磁护通道内。

进一步的技术方案，耐磨堆焊层通过等离子弧堆焊工艺熔敷碳化钨粉末于刀圈外缘的两侧；所述碳化钨粉末为纳米级粉末。

进一步的技术方案，纳米级碳化钨粉末通过真空冷冻工艺制得。

进一步的技术方案，刀毂通过轴承和油封与刀轴滚动式连接，所述油封为浮动油封。

进一步的技术方案，两组轴承之间的刀轴周缘固定有隔环，隔环设置有内腔和磁护通道相通的通孔。

一种盾构机刀具的制作工艺，步骤为：

步骤一、刀圈熔敷：在刀圈外缘的两侧熔敷耐磨堆焊层；

步骤二、装配：将刀圈、刀轴、刀毂、轴承、封盖和浮动油封按顺序装配；

步骤三、充油：通过磁护通道将润滑油充入内腔；

步骤四、密封：通过固定螺栓将磁性螺塞顶紧在磁护通道内。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的一种盾构机刀具，通过磁性螺塞将润滑油中的铁质杂质吸附后，再在正常的拆解后维护保养过程中将杂质清除，达到提高油封和轴承使用寿命，进而提高整个刀具的目的；

(2)本发明的一种盾构机刀具，堆焊层组织致密，成型美观；堆焊过程易实现高效自动化生产，提高劳动生产率，减轻劳动强度；

(3)本发明的一种盾构机刀具，磁性螺塞和耐磨堆焊层：一个保证刀具在高速运转过程中刀具内腔润滑油中油封和轴承产生的铁质杂质的即时吸附，一个提高高速运转过程中刀圈的耐磨性能，通过内外协同的配合作用，可以使整个刀具的维护保养同步进行，避免了两者错期更换而影响同步使用；

(4)本发明的一种盾构机刀具，在固定孔的基础上内开磁护通道，无需额外穿孔，直接在固定孔的基础上穿孔，节约加工工时，也避免穿孔过多影响刀轴强度；而且，等离子弧具有电弧温度高、传热率大、稳定性好，熔深可控性强，通过调节相关的堆焊参数，可对堆焊层的厚度、宽度、硬度在一定范围内自由调整，碳化钨纳米粉熔覆后刀圈外缘和碳化钨纳米粉之间形成融合界面，结合强度高；堆焊层组织致密，耐蚀及耐磨性好；刀圈外缘与碳化钨纳米粉的稀释减少，材料特性变化小；焊道平滑整齐，不加工或稍加工即可使用；利用粉末作为堆焊材料可提高合金设计的选择性，特别是能够顺利堆焊难熔材料，提高工件的耐磨、耐高温、耐腐蚀性或耐冲击性；

(5)本发明的一种盾构机刀具，在每个对称的固定孔内均内置磁性螺塞，达到吸附均匀和彻底的目的；

(6)冻干后的前驱块状体只是水分子升华后形成的多微孔状蜂窝块，体积变化微小，均匀的钨源和碳源定位不会发生变化，位置固定的碳源和其周围位置也相对固定的钨源进行反应，位置等位化，最终生成均匀的碳化钨，而且还是纳米级的碳化钨块；由于冻干后块状体微孔孔隙的均匀性，从而比较容易的实现制得粒度均匀的纳米级的碳化钨的目的；而且，微孔状纳米级的碳化钨，在等离子弧堆焊工艺中对热量的吸收也比较均匀，能够急速熔化和刀圈外缘结合，结合的强度提高，相应的进一步降低堆焊稀释率，稀释率可控制在5％以下；

(7)本发明的一种盾构机刀具，隔环和通孔的设置，在保证两套轴承互不干扰的前提下，保持了润滑油通道的通畅；耐磨堆焊层组织致密，成型美观；堆焊过程易实现高效自动化生产，提高劳动生产率，减轻劳动强度；

(8)本发明的一种盾构机刀具，等离子弧温度高、能量集中、工艺稳定性好，外界因素干扰小，在刀圈上引起的残余应力和变形小；

(9)本发明的一种盾构机刀具，可以通过调节电流大小、气体流量、送粉速度、堆焊速度及等离子弧摆动幅度来控制堆焊效果，从而获得质量优异的熔敷层；

(10)本发明的一种盾构机刀具，纳米碳黑粉体的冻干制作过程中，加热板温度的范围限定，能够保持物料的相对低温状态(低于加热板温)，防止反应过于强烈而导致反应不均匀；偏钨酸铵水溶液和纳米碳黑粉体的配比限定范围是根据化学反应式进行尽量精确的确定，避免了过多的杂质，能够防止碳源或钨源过多的残留而影响膜层质量。

附图说明

图1为本发明的盾构机刀具结构示意图；

图2为本发明的侧视图；

图3为本发明中的隔环的侧视图。

图中：1、刀圈；2、刀轴；3、刀毂；4、内腔；5、轴承；6、封盖；7、油封；8、隔环；9、定位块；11、耐磨堆焊层；12、刀圈外缘；13、弧形过渡连接部；21、固定孔；22、磁护通道；23、磁性螺塞；231、强磁磁块；81、通孔。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。

实施例1

本实施例的盾构机刀具，如图1、2所示，包括刀圈1、刀轴2、刀毂3、轴承5和封盖6，轴承5为两组，分别通过上、下两个封盖6和刀毂3的配合通过O形密封圈密封，并滚动式固定于刀轴2周缘，所述刀圈1可拆卸固定于刀毂3的周缘，可以通过卡环固定；两组轴承5之间形成容纳润滑油的内腔4，以润滑轴承5，所述刀轴2内部，沿其径线加工有与内腔4相通的磁护通道22，并在磁护通道22的外孔口处固定安装磁性螺塞23。

本实施例的盾构机刀具，具体使用中，由于内腔4充满润滑油，润滑油中会由于刀具高速运转而产生铁质颗粒和粉末，本实施例通过磁性螺塞23将润滑油中的铁质杂质吸附后，再在正常的拆解后维护保养过程中将杂质清除，达到提高油封和轴承使用寿命的目的，进而提高盾构机刀具使用寿命。

实施例2

本实施例的盾构机刀具，刀圈1由外向内依次为刀圈外缘12、弧形过渡连接部13和内孔，所述刀圈外缘12和内孔之间为对称式向内的弧形过渡连接部；所述刀圈外缘12的两侧熔敷有一层耐磨堆焊层11。所述弧形过渡连接部13的弧度为50～55°，本实施例中为50°；所述耐磨堆焊层11的厚度为3.0～3.5mm，本实施例中为3mm；所述刀圈外缘12的宽度为刀圈1直径的1/6～1/5，本实施例中为，刀圈1直径为432mm，刀圈外缘12的宽度为72mm，最外缘厚度为20mm。所述耐磨堆焊层11通过等离子弧堆焊工艺熔敷碳化钨粉末于刀圈外缘12的两侧；所述碳化钨粉末为纳米级粉末。

本实施例的盾构机刀具，通过等离子弧堆焊工艺熔敷纳米级碳化钨粉末于刀圈外缘12的两侧，制得的耐磨堆焊层11结合强度较高；堆焊层组织致密，耐蚀及耐磨性较好；磁性螺塞23和耐磨堆焊层11：一个保证刀具在高速运转过程中刀具内腔润滑油中油封和轴承产生的铁质杂质的即时吸附，一个提高高速运转过程中刀圈的耐磨性能，通过内外协同的配合作用，可以使整个刀具的维护保养同步进行，避免了两者错期更换而影响同步使用；

经检测：粉末等离子弧堆焊的稀释率在15％左右，耐磨性：5.5krev/mm³，切断Φ25～28mm的钢筋时，切口呈挤压切削的特征，可以掘进硬度在2500kg/cm²强度，250MPa以上的地层抗冲击性较强，适应于开凿连续墙内置钢筯，刀圈1和磁性螺塞23可以同步更换。

实施例2

本实施例的盾构机刀具，基本结构同实施例1，不同和改进之处在于：磁护通道22开在刀轴2的固定孔21内，并由固定螺栓将磁性螺塞23顶紧在磁护通道22内。纳米级碳化钨粉末的制作工艺为：

步骤一：混合：将55％wt％的偏钨酸铵水溶液和纳米碳黑粉体混合，配比为1：0.05，搅拌均匀呈流体状，加入模具中压制成型呈前驱体，目的是固定钨源和碳源；

步骤二：深冻：将前驱体快速转入深冻空间中进行急速深冻；温度为-150～-160℃，时间为200～240min；

步骤三：冻干：将急冻好的前驱体快速转入真空冷冻干燥仓中进行冻干；冻干工艺曲线为：

A、初期：板温0℃～100℃，升温斜率10℃/min，100℃保持50～60分钟，抽真空至80Pa以内；

B、中期一期：板温降温至80～85℃/min，保持70～80分钟，真空控制在60Pa以内；

C、中期二期：板温降温至70～75℃/min，保持60～65分钟，真空控制在50Pa以内；

D、后期，板温降温至60～65℃/min，保持80～100分钟，真空控制在30Pa以内。

步骤四：碳化：关闭真空冷冻干燥仓冷阱，升温900℃进行碳化还原反应制得纳米碳化钨块；碳化过程中，添加CO为还原碳化气体；

步骤五：粉碎：将纳米碳化钨块用粉碎机粉碎至纳米碳化钨粉状。

冻干后的前驱块状体只是水分子升华后形成的多微孔状蜂窝块，体积变化微小，均匀的钨源和碳源定位不会发生变化，位置固定的碳源和其周围位置也相对固定的钨源进行反应，位置等位化，最终生成均匀的碳化钨，而且还是纳米级的碳化钨块；由于冻干后块状体微孔孔隙的均匀性，从而比较容易的实现制得粒度均匀的纳米级的碳化钨的目的。

本实施例的等离子弧堆焊工艺为：以等离子弧作为热源，温度3500℃左右，由送粉器向3D机械手堆焊枪供粉，吹入电弧中，应用等离子弧产生的高温将碳化钨纳米粉与刀圈外缘12表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散、随3D机械手堆焊枪和刀圈1的相对移动，等离子弧离开后液态合金逐渐凝固，形成一层耐磨堆焊层11；然后翻转刀圈1，重复以上步骤在刀圈外缘12的另一面熔敷一层耐磨堆焊层11。

本实施例盾构机刀具，微孔状纳米级的碳化钨，在等离子弧堆焊工艺中对热量的吸收也比较均匀，能够急速熔化和刀圈外缘结合，结合的强度提高，相应的进一步降低堆焊稀释率，经检测：稀释率可控制在4％左右。耐磨性：10.5krev/mm³，切断Φ25～28mm的钢筋时，切口呈挤压切削的特征，可以掘进硬度在2800kg/cm²强度，280MPa以上的地层，抗冲击性强，适应于开凿花岗岩山体，刀圈1和磁性螺塞23也可以同步更换。

实施例3

本实施例的盾构机刀具，基本结构同实施例2，不同和改进之处在于：所述弧形过渡连接部12的弧度为55°；所述耐磨堆焊层11的厚度为3.5mm；所述刀圈外缘12的宽度为刀圈1直径的1/5，刀圈1直径为432mm。刀毂3通过轴承5和油封7与刀轴2滚动式连接，所述油封7为浮动油封，浮动油封为铁质，也容易产生磨损细屑，在加强旋动密封的同时，将碎屑吸附，提高了磁性螺塞23的吸附效率；磁护通道22开在刀轴2上对称设置的固定孔21内，达到吸附均匀和彻底的目的。

纳米级碳化钨粉末的制作工艺为：

步骤一：混合：将60％wt％的偏钨酸铵水溶液和纳米碳黑粉体混合，配比为1：0.1，搅拌均匀呈流体状，加入模具中压制成型呈前驱体，目的是固定钨源和碳源；

步骤二：深冻：将前驱体快速转入深冻空间中进行急速深冻；温度为-150～-160℃，时间为200～240min；

步骤三：冻干：将急冻好的前驱体快速转入真空冷冻干燥仓中进行冻干；冻干工艺曲线为：

A、初期：板温0℃～100℃，升温斜率10℃/min，100℃保持50～60分钟，抽真空至80Pa以内；

B、中期一期：板温降温至80～85℃/min，保持70～80分钟，真空控制在60Pa以内；

C、中期二期：板温降温至70～75℃/min，保持60～65分钟，真空控制在50Pa以内；

D、后期，板温降温至60～65℃/min，保持80～100分钟，真空控制在30Pa以内。

步骤四：碳化：关闭真空冷冻干燥仓冷阱，升温1200℃进行碳化还原反应制得纳米碳化钨块；碳化过程中，添加CO为还原碳化气体；

步骤五：粉碎：将纳米碳化钨块用粉碎机粉碎至纳米碳化钨粉状。

实施例4

本实施例的盾构机刀具，基本结构同实施例3，不同和改进之处在于：磁性螺塞23可以为强磁螺塞，强磁螺塞与内腔4的接触面固定连接有强磁磁块231，进一步提高吸附效率。刀轴2与封盖6之间插接有定位块9，方便装配；本实施例中的等离子弧堆焊工艺为：首先将钨极与电源负极连接，枪嘴和刀圈外缘12分别与电源正极连接。在使用过程中，将枪嘴对准刀圈外缘12，同时将冷却水通过枪体进水管通入枪体冷却水道，完成热交换后经枪体出水管向外排出，由此对枪体进行冷却；同时，将保护气体通过保护气进气管通入保护气室内，然后经保护气过滤网过滤后流入保护气出口通道，最后从保护气帽的下端开口向外排出，形成焊接时的熔池保护气氛；与此同时，将等离子气体通过离子气进气管通入上枪体内体以及钨极压头的内部，然后沿着钨极夹中下部和下端部上的多条开口缝以及钨极夹、定心顶柱、定心套管和钨极之间的间隙流入枪体内部，之后进入枪嘴；该等离子气体在进气段进行初步整流后进入整流段进一步整流，在流经压缩段时受到机械压缩后进入喷出段；等离子气体在流经压缩段末端和喷出段时，受到钨极尖端和枪嘴之间的非转移弧、钨极尖端和刀圈外缘12之间的转移弧两次电离，在喷出段受到剧烈的机械压缩和磁压缩作用，最后生成高能高速的等离子气流而从枪嘴喷向薄板类零件，成为等离子弧堆焊的热源，温度3800℃左右，由送粉器向3D机械手堆焊枪供粉，吹入电弧中，应用等离子弧产生的高温将碳化钨纳米粉与刀圈外缘12表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散、随3D机械手堆焊枪和刀圈1的相对移动，等离子弧离开后液态合金逐渐凝固，形成一层耐磨堆焊层11；然后翻转刀圈1，重复以上步骤在刀圈外缘12的另一面熔敷一层耐磨堆焊层11。

实施例5

本实施例的盾构机刀具，基本结构同实施例4，不同和改进之处在于：如图1、3所示，两组轴承5之间的刀轴2周缘固定有隔环8，隔环8设置有内腔4和磁护通道22相通的通孔81，在保证两套轴承互不干扰的前提下，保持了润滑油通道的通畅。

本实施例的盾构机刀具的制作工艺，步骤为：

步骤一、刀圈熔敷：在刀圈外缘12的两侧熔敷耐磨堆焊层11，熔敷耐磨堆焊层11的工艺步骤同例4；

步骤二、装配：将刀圈1、刀轴2、刀毂3、轴承5、封盖6和浮动油封按顺序装配；

步骤三、充油：通过磁护通道22将润滑油充入内腔4；

步骤四、密封：通过固定螺栓将磁性螺塞23顶紧在磁护通道22内。

以上示意性的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，不经创造性的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。