《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）—第四部分 装备《高磨蚀地质滚刀关键制造技术及应用》

本期项目简介

完成单位: 中铁工程装备集团有限公司、中铁工程装备集团隧道设备制造有限公司

主要完成人: 尚勇、 魏金、 王锴、 芦海俊、郭浩、 李英发、 孙堂超、 刘延钊、 姜海峰、 李焕旭

项目简介

　　滚刀作为掘进机的“牙齿冶,是盾构机隧道施工中最易损坏失效的部件,其性能优劣及稳定性直接影响隧道施工效率及成本。随着我国经济建设的不断发展,我国对基础建设的投入也越来越大,越来越多的城市规划城市轨道交通、地下综合管廊建设,还有川藏铁路等大型世纪工程的规划建设,都需要进行长距离地下隧道开挖。我国因盾构装备制造起步晚,目前滚刀制造工艺比较落后,同时刀圈材料较单一,常出现刀圈性能与岩性不匹配的情况,刀圈使用寿命短,异常失效率居高不下。研究盾构/TBM高性能刀具的关键基础问题,发展新一代盾构/TBM刀具技术,变得尤为突出和紧迫。

　　项目围绕高性能刀圈材料、地质匹配模型、智能制造工艺三大核心技术,与多家单位进行产学研联合攻关,取得滚刀研发制造中多项关键技术的突破,获得以下创新成果:一是探明了高性能刀圈多尺度二次相强化机制,解决了刀圈材料“强韧匹配难冶的国际性难题。二是建立了基于岩性-刀圈性能映射函数的刀圈地质匹配模型,解决了“地质适应差冶的国际性难题。三是实现了滚刀制造的智能化,解决了滚刀制造中“生产效率低冶的国际性难题。

项目创新点

　　(1)探明了刀圈组织中多尺度二次相强化机制,研发了适应高磨蚀地层的多耐磨相超弥散分布的强韧化刀圈材料。研究了二次相对强度、韧性及耐磨性等的影响,确定了刀圈材料中多种二次相的演变规律。基于G郾Steven“平衡碳冶原则进行新型刀圈材料成分设计,完善锻造过程中新型高碳高合金刀圈的成形工艺及热处理过程中的非稳定奥氏体转变及耐磨相控制技术,开发了多耐磨相超弥散分布的强韧化刀圈,实现了在石英含量超30%的极硬岩地层掘进3.9m3/mm,比相同地层中国际著名厂商的滚刀使用性能提升70%。

　　(2)建立了基于岩性-刀圈性能映射函数的刀圈地质匹配模型,确定了岩性与刀圈性能的函数关系,实现不同岩性地层刀圈性能的针对性配置。确定了刀圈磨损的不同类型去除机制,研究了不同性能刀圈与不同特性岩石的磨损率变化规律,基于多元非线性耦合拟合原理建立了滚刀性能与岩石磨损率模型。确定了刀圈硬度与岩性匹配函数关系、刀圈断裂韧性与岩性匹配函数关系,实现了根据地层岩性进行刀圈性能的最优化配置,填补了该领域的空白。

　　(3)研发了世界首条滚刀自动装配检测生产线,实现滚刀制造的智能化及自动化,显著地提升了滚刀的生产效率及质量稳定性。建立了模拟分析与动态实验结合的试验体系,确定了滚刀部件的可靠性及最优参数;建立了世界首条滚刀自动装配检测生产线,实现了滚刀装配及检测过程的智能化和自动化,并实现了滚刀全生命周期数据的收集和追溯。

同类项目比较

应用案例

　　(一)新疆引额项目

　　新疆引额项目隧洞施工地质以域、芋类围岩为主(见图2),岩性主要为二长片麻岩、黑云母斜长片麻岩和华力西期花岗岩、黑云母花岗岩,岩石中石英含量可达25%~30%以上,磨蚀性极高。

　　针对该类高磨蚀地层,中铁工程装备公司刀具研发人员通过设计新成分提高组织中弥散分布的耐磨相含量、优化热处理工艺减少不利于耐磨组织含量等方法,研发新型高耐磨CREG-域刀圈。在引额项目西二峪标项目部组织的公开、公平试刀过程中,公司滚刀耐磨性能显著优于国内外其他厂商刀具,且使用过程中滚刀刃口光滑,无断裂、卷刃等现象,综合使用性能优异。

　　(二)千岛湖引水工程

　　该引水工程穿越岩性主要为30~150MPa的石英砂岩、泥质粉砂岩及长石石英细粒砂岩等,岩石强度变化大,磨蚀性强,中铁工程装备公司针对性配置CREG-2高耐磨刀圈。根据该项目地质特点,公司针对性进行滚刀结构设计及刀圈材料选择,并为项目提供完备的刀具售后服务,助力项目按期顺利贯通。

　　项目掘进过程中,中铁装备中心滚刀单次平均掘进5207米,正面单刃滚刀平均掘进1802郾46米,正面滚刀最大掘进3147郾4米,边刀平均掘进810米,打破了国内一次换刀最高掘进纪录(见图3)。掘进中,无刀圈崩刃、断裂等异常失效情况,为项目的顺利贯通贡献了力量。

社会效益与经济效益

　　该项目成果解决了隧道施工中滚刀制造过程及应用中的技术难题,填补了滚刀性能与岩性匹配设计的空白,并显著提升了滚刀的制造水平与使用性能,实现了我国滚刀制造技术从“模仿跟随冶到“创新引领冶的质变,充分践行了“中国制造2025冶制造强国战略,显著提升了我国盾构刀具的品牌影响力和市场竞争力。

　　项目的实施带动了滚刀制造上下产业链数十家公司的发展,直接、间接提供就业岗位800余个。依托该成果批量制造的高耐磨滚刀,已广泛用于国内外数百个隧道项目。项目开展过程中产学研用结合,为企业、高校、地方培养一大批隧道施工装备技术人才。依托本项目成果与郑州市政府签订了联合建立盾构刀具研发中心的合作协议,将进一步推动国产刀具高端化、产业化发展。