《交通運(yùn)輸科學(xué)技術(shù)新成果推廣目錄》（２０２０）—第四部分 裝備《高磨蝕地質(zhì)滾刀關(guān)鍵制造技術(shù)及應(yīng)用》

本期項(xiàng)目簡介

完成單位: 中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司、中鐵工程裝備集團(tuán)隧道設(shè)備制造有限公司

主要完成人: 尚勇、 魏金、 王鍇、 蘆海俊、郭浩、 李英發(fā)、 孫堂超、 劉延釗、 姜海峰、 李煥旭

項(xiàng)目簡介

　　滾刀作為掘進(jìn)機(jī)的“牙齒冶,是盾構(gòu)機(jī)隧道施工中最易損壞失效的部件,其性能優(yōu)劣及穩(wěn)定性直接影響隧道施工效率及成本。隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展,我國對基礎(chǔ)建設(shè)的投入也越來越大,越來越多的城市規(guī)劃城市軌道交通、地下綜合管廊建設(shè),還有川藏鐵路等大型世紀(jì)工程的規(guī)劃建設(shè),都需要進(jìn)行長距離地下隧道開挖。我國因盾構(gòu)裝備制造起步晚,目前滾刀制造工藝比較落后,同時(shí)刀圈材料較單一,常出現(xiàn)刀圈性能與巖性不匹配的情況,刀圈使用壽命短,異常失效率居高不下。研究盾構(gòu)/TBM高性能刀具的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題,發(fā)展新一代盾構(gòu)/TBM刀具技術(shù),變得尤為突出和緊迫。

　　項(xiàng)目圍繞高性能刀圈材料、地質(zhì)匹配模型、智能制造工藝三大核心技術(shù),與多家單位進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān),取得滾刀研發(fā)制造中多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破,獲得以下創(chuàng)新成果:一是探明了高性能刀圈多尺度二次相強(qiáng)化機(jī)制,解決了刀圈材料“強(qiáng)韌匹配難冶的國際性難題。二是建立了基于巖性-刀圈性能映射函數(shù)的刀圈地質(zhì)匹配模型,解決了“地質(zhì)適應(yīng)差冶的國際性難題。三是實(shí)現(xiàn)了滾刀制造的智能化,解決了滾刀制造中“生產(chǎn)效率低冶的國際性難題。

項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

　　(1)探明了刀圈組織中多尺度二次相強(qiáng)化機(jī)制,研發(fā)了適應(yīng)高磨蝕地層的多耐磨相超彌散分布的強(qiáng)韌化刀圈材料。研究了二次相對強(qiáng)度、韌性及耐磨性等的影響,確定了刀圈材料中多種二次相的演變規(guī)律?；贕郾Steven“平衡碳冶原則進(jìn)行新型刀圈材料成分設(shè)計(jì),完善鍛造過程中新型高碳高合金刀圈的成形工藝及熱處理過程中的非穩(wěn)定奧氏體轉(zhuǎn)變及耐磨相控制技術(shù),開發(fā)了多耐磨相超彌散分布的強(qiáng)韌化刀圈,實(shí)現(xiàn)了在石英含量超30%的極硬巖地層掘進(jìn)3.9m3/mm,比相同地層中國際著名廠商的滾刀使用性能提升70%。

　　(2)建立了基于巖性-刀圈性能映射函數(shù)的刀圈地質(zhì)匹配模型,確定了巖性與刀圈性能的函數(shù)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)不同巖性地層刀圈性能的針對性配置。確定了刀圈磨損的不同類型去除機(jī)制,研究了不同性能刀圈與不同特性巖石的磨損率變化規(guī)律,基于多元非線性耦合擬合原理建立了滾刀性能與巖石磨損率模型。確定了刀圈硬度與巖性匹配函數(shù)關(guān)系、刀圈斷裂韌性與巖性匹配函數(shù)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了根據(jù)地層巖性進(jìn)行刀圈性能的最優(yōu)化配置,填補(bǔ)了該領(lǐng)域的空白。

　　(3)研發(fā)了世界首條滾刀自動裝配檢測生產(chǎn)線,實(shí)現(xiàn)滾刀制造的智能化及自動化,顯著地提升了滾刀的生產(chǎn)效率及質(zhì)量穩(wěn)定性。建立了模擬分析與動態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)合的試驗(yàn)體系,確定了滾刀部件的可靠性及最優(yōu)參數(shù);建立了世界首條滾刀自動裝配檢測生產(chǎn)線,實(shí)現(xiàn)了滾刀裝配及檢測過程的智能化和自動化,并實(shí)現(xiàn)了滾刀全生命周期數(shù)據(jù)的收集和追溯。

同類項(xiàng)目比較

應(yīng)用案例

　　(一)新疆引額項(xiàng)目

　　新疆引額項(xiàng)目隧洞施工地質(zhì)以域、芋類圍巖為主(見圖2),巖性主要為二長片麻巖、黑云母斜長片麻巖和華力西期花崗巖、黑云母花崗巖,巖石中石英含量可達(dá)25%~30%以上,磨蝕性極高。

　　針對該類高磨蝕地層,中鐵工程裝備公司刀具研發(fā)人員通過設(shè)計(jì)新成分提高組織中彌散分布的耐磨相含量、優(yōu)化熱處理工藝減少不利于耐磨組織含量等方法,研發(fā)新型高耐磨CREG-域刀圈。在引額項(xiàng)目西二峪標(biāo)項(xiàng)目部組織的公開、公平試刀過程中,公司滾刀耐磨性能顯著優(yōu)于國內(nèi)外其他廠商刀具,且使用過程中滾刀刃口光滑,無斷裂、卷刃等現(xiàn)象,綜合使用性能優(yōu)異。

　　(二)千島湖引水工程

　　該引水工程穿越巖性主要為30~150MPa的石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及長石石英細(xì)粒砂巖等,巖石強(qiáng)度變化大,磨蝕性強(qiáng),中鐵工程裝備公司針對性配置CREG-2高耐磨刀圈。根據(jù)該項(xiàng)目地質(zhì)特點(diǎn),公司針對性進(jìn)行滾刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及刀圈材料選擇,并為項(xiàng)目提供完備的刀具售后服務(wù),助力項(xiàng)目按期順利貫通。

　　項(xiàng)目掘進(jìn)過程中,中鐵裝備中心滾刀單次平均掘進(jìn)5207米,正面單刃滾刀平均掘進(jìn)1802郾46米,正面滾刀最大掘進(jìn)3147郾4米,邊刀平均掘進(jìn)810米,打破了國內(nèi)一次換刀最高掘進(jìn)紀(jì)錄(見圖3)。掘進(jìn)中,無刀圈崩刃、斷裂等異常失效情況,為項(xiàng)目的順利貫通貢獻(xiàn)了力量。

社會效益與經(jīng)濟(jì)效益

　　該項(xiàng)目成果解決了隧道施工中滾刀制造過程及應(yīng)用中的技術(shù)難題,填補(bǔ)了滾刀性能與巖性匹配設(shè)計(jì)的空白,并顯著提升了滾刀的制造水平與使用性能,實(shí)現(xiàn)了我國滾刀制造技術(shù)從“模仿跟隨冶到“創(chuàng)新引領(lǐng)冶的質(zhì)變,充分踐行了“中國制造2025冶制造強(qiáng)國戰(zhàn)略,顯著提升了我國盾構(gòu)刀具的品牌影響力和市場競爭力。

　　項(xiàng)目的實(shí)施帶動了滾刀制造上下產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)十家公司的發(fā)展,直接、間接提供就業(yè)崗位800余個(gè)。依托該成果批量制造的高耐磨滾刀,已廣泛用于國內(nèi)外數(shù)百個(gè)隧道項(xiàng)目。項(xiàng)目開展過程中產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合,為企業(yè)、高校、地方培養(yǎng)一大批隧道施工裝備技術(shù)人才。依托本項(xiàng)目成果與鄭州市政府簽訂了聯(lián)合建立盾構(gòu)刀具研發(fā)中心的合作協(xié)議,將進(jìn)一步推動國產(chǎn)刀具高端化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。