单位文秘网 2021-07-04 08:07:29 点击: 次
摘 要:主要通过介绍敞开式硬岩掘进机刀盘的结构形式和工作原理,详细分析了刀盘装配中的技术难点,并根据其结构特点详细介绍和论证了刀盘装配的合理可行的装配方案,针对装配方案中的技术难点,详细分析了刀盘装配精度和使用性能的要求,并采取了合理的工艺措施和技术手段,保证刀盘的装配精度和使用性能,具有一定的参考意义。
关键词:敞开式硬岩掘进机;刀盘装配;装配方案;滚刀座;安装工具
引言
敞开式硬岩掘进机是一种集掘进、出渣、导向、支护和通风等多功能为一体的大型高效隧道施工机械,适应于硬岩地质条件,主要依靠安装在刀盘上的17″和20″盘形滚刀对开挖面的岩层进行滚压破碎。敞开式硬岩掘进机刀盘需要满足特定的工程地质和水文地质条件,以及超长距离、超大断面、存在软弱岩层、高速掘进、在不同的地质情况下仍具有良好的破岩开挖能力,并能高效安全地通过洞线上的各类地层的技术要求,因此,敞开式硬岩掘进除研发设计时充分考虑刀盘的强度、刚度、耐磨性和耐久性外,还应研究采用合理的加工和装配工艺手段,保证刀盘的整体装配精度和使用性能。
目前刀盘的装配需要多次调整检测,效率较低,更重要的是很难保证关键部件盘形滚刀的安装精度,且影响刀盘结构强度。其次,受敞开式硬岩掘进机地下施工环境的限制,施工过程中的维修非常困难,刀盘工厂内的装配过程便十分关键,是保证刀盘使用性能的检验过程,因此刀盘的装配也是整个刀盘制造过程中的重要环节。
本篇主要以直径Φ8.53m敞开式硬岩掘进机为例,介绍敞开式硬岩掘进机刀盘的装配技术,结合刀盘的结构形式和技术难点,采取合理的工艺措施和手段保证刀盘的装配精度。
1 敞开式硬岩掘进机刀盘的结构形式和工作原理
1.1 敞开式硬岩掘进机刀盘的结构形式
如图1 所示,敞开式硬岩掘进机刀盘直径为5瓣把合的结构形式。刀盘结构件主要包括中心块、左边块、右边块、上边块和下边块。
刀盘的周边布置有铲斗,铲斗沿刀盘外围分布,用来把岩渣从隧洞底部铲至顶部,然后沿着出渣槽到达主机皮带出渣机上方的岩渣漏斗。铲斗开口上安装有可更换的斗齿,有助于在隧道沿线可能遇到的松散岩石的开挖和装料,以提高周边围岩断面平整度。刀盘表面覆有TRIMAY耐磨板和HARDOX耐磨板,用于防护刀盘磨损。刀盘面上装有喷水系统,喷水系统通过刀盘中心的旋转接头将水压送到的各个喷嘴点,起到施工中降温和湿尘的作用。
刀盘上布置背装式盘型滚刀,分别为45把20寸滚刀和4把17寸中心滚刀,滚刀安装在滚刀座上,盘形滚刀在刀盘上呈双螺旋线布置,且分布在不同的角度面上,安装中存在各种不同角度和高度,掘进施工时主要通过两等距相邻滚刀对岩石挤压,使岩石产生裂纹进而进行破碎。
1.2 敞开式硬岩掘进机刀盘的工作原理
通过刀盘驱动系统驱动刀盘旋转,并由推进系统给刀盘提供推进力,在推进力的作用下滚刀切入岩石掌子面。不同部位的滚刀在掌子面上留下不同半径的同心圆切槽轨迹,在滚刀的挤压下,相邻切槽的岩石在剪切力作用下从岩体上剥落下来形成石渣,石渣则随着刀盘的旋转由刀盘上的铲渣斗自动拾起,经刀盘内的溜渣槽输送出去。
2 刀盘装配技术难点
2.1 刀盘的组对
直径8.53m刀盘5瓣体积较大,调整困难。刀盘各瓣制造过程相互独立进行,调整时各瓣组对基准点存在误差。各瓣通过定位销定位,用螺栓联接,各瓣结合面的形位公差要求为0.05mm/1000mm,结合面上的销孔共计8个,螺栓联接孔共计1144个,数量较多,位置精度要求为Φ0.1mm,精度要求严格,刀盘装配后整体平面度为0.2mm/1000mm,直径公差为0~3mm,装配技术复杂。刀盘装配中保证刀盘直径尺寸、刀盘圆度及平面度成为技术难点。
2.2 滚刀座的安装
滚刀座为分体式结构,由嵌块和左、右半刀座组成。在安装之前,需要将左、右半刀座和嵌块分别进行组对,此工序要求精确保证左、右和嵌块的组对尺寸。
滚刀座的安装应以刀盘旋转中心为基准并参考刀盘的十字中心线和刀座孔的径向中心线进行定位,在刀盘水平面上呈双螺旋线分布,安装位置复杂。根据刀盘性能要求滚刀座安装需达到以下工艺要求:
a.滚刀座安装在设计确定的X和Y方向坐标点上;b.滚刀座安装后须刀盘旋转圆的切线上,不得偏斜和歪曲;c.滚刀安装后须保证刀刃在同一平面上;d.边滚刀安装后刀刃在设计确定的过渡曲线上。
同时保证滚刀座安装允许偏差:高度方向为0~2mm,圆周和径向偏差为±1mm,水平角度偏差为1°,轴向角度偏差为1°。即保证滚刀座安装后尽量使各滚刀所受载荷尽量相等,每把滚刀的破岩量也尽量相等,尽量使刀盘掘进时在X、Y、Z三个坐标位置上的受力投影代数和为零,保证各滚刀的使用寿命、刀盘的破岩效果和延长刀盘的使用寿命及减少掘进机的振动。因此滚刀座的安装精度对掘进机的性能影响非常大。
3 刀盘的装配方案
3.1 刀盘各部件装配顺序
滚刀座及铲斗等各件的安装均以刀盘中心为基准,所以首先要先将刀盘各块进行组对;滚刀座的安装十分关键,为便于调整和消除应力处理,需先进行刀座的焊接安装;同时坚持先重要后次要,先焊接后组装和尽量减少刀盘翻个次数的原则,由于耐磨板焊接工序环境恶劣,容易造成零件的二次污染和毁坏滚刀轴承等精密零件,应尽量安排在前工序中进行。
因此刀盘各部件的装配基本顺序为:刀盘组对检测-滚刀座的安装-铲斗的安装-耐磨板的焊接-喷水装置的安装-滚刀的安装。
3.2 刀盘的组对
刀盘各瓣的组对工序主要是调整和检查刀盘组对后的直径尺寸和圆度、平面度,同时为下步工序做准备。根据刀盘的结构形式和上述技术难点,我需要采取特殊的工艺方法,来保证刀盘的组对精度。考虑刀盘各瓣尺寸较大,调整困难,且单独制造生产,无组对统一基准的问题,为此,在我们要求在刀盘的上面各块结合缝处以刀盘中心为基准加工出数个R100mm的基准面,作为刀盘组对和检测的基准,也作为各瓣法兰面把和孔的加工基准,该基准面在充分考虑各瓣的平面度和直径尺寸的情况下,以刀盘中心为基准进行加工,位置精度控制在0.1mm,这样就可以有效地控制刀盘的平面度、圆度和直径尺寸。
3.3 滚刀座的安装
以49#-53#边滚刀座为例,如表1所示,49#-53#边滚刀分布在不同的角度面上,各滚刀座X、Y和角度方向安装尺寸要求很严格,采用一般检测调整的方法,无法直观地标示出各滚刀座的坐标,很难对各滚刀座位置进行精确定位。
表1 49#-53#边滚刀座安装位置
为此,需采用特殊的装配工艺方案,设法将各滚刀座的安装坐标直观精确地以刀盘中心为基准标示出来。该工艺方案为将各滚刀座的位置坐标标示在刀盘检测样板上,通过刀盘检测样板在刀盘中心部位定位并旋转一周,即可依次标示出各滚刀座的位置。刀盘检测样板主要由底座、固定柱、卡环、固定座、刻度板和外轮廓检测板组成,固定座与固定柱为基孔制间隙配合关系,并可以通过拧紧卡环以限制固定座上下方向上的位移。刻度板用螺栓固定在固定座上,可以以固定柱为中心自由转动,并通过调整固定座的来调整刻度板的高度尺寸。底座通过定位销定位在刀盘中心,实现旋转中心与刀盘中心重合,刻度板上刻有各滚刀座的轨迹位置线,因此刀盘检测样板旋转一周,即可通过刻度板上各滚刀座的轨迹线标识出各滚刀座的位置。
1.底座;2.固定柱;3.卡环;4.固定座;5.刻度板;6.外轮廓检测板
图3 刀盘检测样板
刀盘制造过程中要求进行2次消除应力处理,要求第二次消除应力处理为刀座焊接完成后进行,以消除刀座焊接产生的焊接应力,这就决定了刀盘需经2次加工。这样滚刀座安装就有两种方案,第一种方案为第一次初加工各加工面留10mm加工余量,然后组对焊接嵌块并进行退火消除应力处理,然后再焊接组对左右半刀座,合格后再最终加工刀盘,工序比较复杂。第二种方案为不进行退火处理,改为刀座焊接完成后进行振动时效消除应力,此时就可以先将嵌块和左右半刀座组对,再使用工装进行安装。在满足刀盘装配精度的前提下,方案二的工序简单,工作强度小,效率高,较为合理。现以第二种方案为例介绍滚刀座的安装。
(1)刀座孔位置的检测。刀座孔的位置在刀盘结构件焊接并热处理后会存在一定的误差,故在安装滚刀座之前要先进行刀座孔的位置检测,主要目的是通过检测作出刀座的安装位置刻线,如果存在刀座孔位置存在偏差,则需要检测偏差值作为修配的依据。此工序通过刀座孔检测样板来实现,刀座孔检测样板上刻有滚刀基准线和刀具轨迹对正线,底板的尺寸与刀座组对后的尺寸相同,可作为标记刀座安装位置的依据。如图4所示刀座孔检测样板与刀盘检测样板上的对应刀具轨迹线对齐后,达到要求的偏差值用固定夹固定在刀盘检测样板上,随着刀盘检测样板的旋转依次检测各滚刀孔的位置。
(2)滚刀座的安装。针对滚刀座分体式结构形式,为精确保证嵌块和半刀座之间的尺寸,采用刀座安装工具进行安装。刀座安装工具轴部结构形式与滚刀轴部形式一致,可以以滚刀组装的形式与刀具座进行组装,起到代替滚刀的作用,减小了基准不重合误差和滚刀实际安装中调整的误差,如图5所示,刀座与安装工具组对后即可保证刀座的组对尺寸,精确可靠。
图5 刀座安装工具
刀座安装工具上刻有滚刀基准线和刀具轨迹对正线,安装时,如图4所示,与刀盘检测样板上的对应刀具轨迹线对齐,达到要求的偏差值,即可依次对各滚刀座进行定位焊接。此方案进行振动时效消除应力后再经过一次最终检验即可。
本滚刀座安装方案以刀盘中心为基准,一次精确定位,避免了多次测量产生的误差;刻度板上滚刀轨迹刻线,可方便的标识出各滚刀的实际工作位置,更直观准确,便于尺寸的调整和检测,完全满足刀盘的装配精度。
3.4 铲斗的安装
铲斗安装高度尺寸为97mm,比滚刀低38mm,在刀盘外周面上分布角度复杂,要求高度等位置尺寸严格,安装过程中调整位置精度直接影响到刀盘使用中刀具的磨损和石渣的铲出量。铲斗的安装以刀盘中心为基准,为保证其安装精度,采用与滚刀座安装同样的工艺方法,利用刀盘检测样板在刀盘中心定位,借助外轮廓板精确控制铲斗的安装位置,依次调整各铲斗装配的高度尺寸,保证铲斗与刀盘检测样板之间的间隙。
4 结束语
通过对敞开式硬岩掘进机刀盘的结构形式、工作原理和装配技术难点的分析,详细介绍了敞开式硬岩掘进刀盘的装配技术,本装配技术方案可精确对滚刀座和铲斗等部件进行安装,控制刀盘的整体装配精度,同时具有精度高,效率高,劳动强度低的特点,完全满足刀盘的使用性能要求。
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作者简介:丁洪波(1986-),北方重工集团盾构机分公司,工程师。
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