盾构滚刀刀圈材料的冲滑复合磨损性能研究

盾构滚刀的磨损极大影响了隧道工程的掘进效率,滚刀主要发生冲击-滑动(冲滑)复合磨损,而刀盘与地层之间的相对刚度对滚刀的磨损行为存在显著影响,因此本文中在自主研制冲滑复合摩擦磨损试验机上对滚刀刀圈材料H13钢进行不同结构刚度下的磨损试验,并采用光学显微镜、扫描电镜和白光干涉仪等微观分析设备对不同结构刚度下H13钢的冲滑复合磨损特性和机理进行了分析和揭示. 结果表明:随着结构刚度的增大,压载荷作用时间增长并逐渐起主导作用,摩擦副在滑动区接触时间增长,H13钢损伤最严重区域有沿着冲滑方向移动的趋势,相应地,磨损机制由磨粒磨损变为磨粒磨损与黏着磨损混合形式. 在本研究中再现了盾构滚刀冲滑复合磨损的界面微观工作状态,深入探究了滚刀刀圈材料的微观磨损机理,可辅助了解滚刀与不同软硬程度地层间的相互作用,并为滚刀刀圈材料的磨损性能评价提供了新的研究方法和手段.      

刃形对硬岩地层中TBM滚刀磨损行为的影响研究

全断面隧道掘进机(TBM)是用于长大隧道建设的关键装备，在公路铁路、引水输水等国家重大战略工程中发挥着重要作用.盘形滚刀位于TBM最前端，是执行破岩掘进的关键零部件.冲击重载和缺少润滑等恶劣工况条件导致滚刀在面对硬岩地层时磨损速率极高，频繁更换刀具对隧道建设的工期、成本和安全性造成严重负面影响.对滚刀磨损机理的深入研究是建立长寿命高性能滚刀设计方法的必经之路.滚刀截面形状以及表面结构是刀-岩接触行为的决定性因素之一，而接触行为对滚刀磨损存在直接影响，但机理机制尚不十分清楚.本文中使用高强度花岗岩开展滚刀磨损试验，针对工程实际中最常用的平顶与圆顶滚刀，研究不同刃形滚刀在磨损过程中切削力、质量损失和表面形貌演变的规律，并结合有限元数值仿真，揭示滚刀刃形通过改变刀-岩接触状态而影响其磨损行为的机理.结果表明，在通过相同距离时平顶滚刀直径变化量小，即达到磨损极限时行进总距离更长、耐磨性更好.圆顶滚刀接触应力集中效应明显，容易发生局部磨损，使圆顶滚刀半径变化更大；但在相同刀盘推力下，圆顶滚刀侵入岩石的深度大于平顶滚刀，在破岩效率方面具有潜在优势.本研究对工程实际中滚刀选型与设计具有重要指导意义.