盾构机滚刀表面梯度涂层的制备与性能研究

发布时间：2021-07-27 23:41

　　盾构机滚刀是掘进过程中的主要切削部件,其工作环境恶劣,受力条件复杂,使用寿命较短,经常更换滚刀将影响施工效率,增加掘进成本。滚刀工作过程中,主要依靠刀圈对岩石的挤压和摩擦进行破岩,因此,刀圈需要具备较高的硬度和耐磨性。针对刀圈在掘进过程中易磨损、消耗量大的问题,本文以盾构机滚刀刀圈材料H13钢为研究对象,通过激光熔覆的方法在H13钢基体表面制备梯度熔覆层,以提高基体材料的硬度及耐磨损性能。本文选用镍基和钴基合金粉末为熔覆材料,并向合金粉末中添加TiC、WC陶瓷颗粒,通过控制陶瓷颗粒在复合粉末中的含量,多层叠加激光熔覆制备了TiC颗粒增强Ni基合金梯度熔覆层、WC颗粒增强Ni基合金梯度熔覆层、TiC颗粒增强Co基合金梯度熔覆层、WC颗粒增强Co基合金梯度熔覆层,并通过相应的检测方法及设备对四种梯度熔覆层的残余应力分布、组织结构、显微硬度分布、耐摩擦磨损性能、抗冲击性能进行了测试分析,研究结果如下所示。采用有限元分析软件ABAQUS对涂层与基体间的残余热应力进行仿真模拟,得到不同梯度熔覆层残余应力的大小与分布情况:残余应力主要集中在涂层与基体的结合位置,且应力的数值由中心向边缘、由基体向涂... 

【文章来源】：济南大学山东省

【文章页数】：73 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

盾构机

济南大学硕士学位论文3在盾构市场的竞争力具有十分重要的意义和价值[13]。图1.1盾构机1.2盾构机滚刀研究现状1.2.1盾构机滚刀简介盾构机用盘行滚刀是应用最为普遍的刀具，通常有单刃、双刃和三刃滚刀，盘形滚刀通常以螺旋状或辐射状分布在刀盘上，一般用在硬岩地层的掘进中[4]。盾构机刀盘在液压缸的推力作用下不断向前掘进，同时刀盘也在做旋转运动，在掌子面的挤压与摩擦作用下，排列在刀盘上的盘形滚刀一边随着刀盘的旋转做公转运动，一边绕滚刀刀轴做自转运动，通过对岩石的挤压和不断旋转产生的剪切作用完成破岩过程[6,12]。盾构机盘形滚刀刀圈是切割岩体、破岩掘进的关键零部件，其工作环境恶劣，受力复杂，在破岩过程中承受着剧烈的冲击和震动，因此滚刀刀圈是掘进过程中最易损坏的零部件[14-15]。刀圈的损坏和更换严重制约着掘进效率，并且刀具的更换或修复费用占整个施工成本的很大一部分，因此提高滚刀刀圈性能可有效降低施工成本，提高施工效率[13]。（a）单刃滚刀（b）双刃滚刀、三刃滚刀（c）刀圈图1.2盾构机滚刀和刀圈

盾构机滚刀表面梯度涂层的制备与性能研究41.2.2盾构机滚刀刀圈失效形式盾构机盘形滚刀刀圈常见的失效形式有磨损失效、断裂失效、压溃及崩刀等，其中刀圈的磨损失效为最主要的失效形式[16]。磨损失效又可分为正常磨损和非正常磨损。正常磨损是指滚刀刀圈刃部由于磨损去除的高度均匀的达到20mm，这种磨损形式主要发生在地质较为单一、均匀的地层中，刀圈受力保持均匀。非正常磨损一般指偏磨，又称为非均匀磨损，盾构机在全断面软土或上软下硬地层中掘进时，滚刀刀圈与软土不能产生足够的摩擦力矩，滚刀无法正常转动，导致整个刀圈刃部的磨损量不一样[12]。断裂失效是指盘形滚刀在掘进过程中刀圈断裂，这种失效形式主要是由于滚刀刀圈内部存在的缺陷，如疏松缩孔或微小的裂纹等，当盾构机穿越软硬交变的复合地层时，刀圈在高压与瞬间冲击载荷的作用下，内部萌生裂纹并继续扩展，最终断裂[4]；压溃主要是由于滚刀的刀圈材料硬度偏低，韧性较高，与岩石接触过程受挤压，刀圈局部被压塌的现象；崩刀是指滚刀在复杂地层，尤其是在软硬不均地层中掘进时，突然遇到砂卵石或较硬岩层，刀圈局部受到瞬间冲击载荷，并且载荷大小超过刀圈材料的抗压强度[10]，从而导致刀圈表面材料呈小块脱落。因此滚刀刀圈材料应具备较好的耐磨性和较高的硬度，同时要求有良好的抗冲击等性能。（a）正常磨损（b）偏磨（c）刀圈断裂图1.3盾构机滚刀刀圈失效形式1.2.3盾构机滚刀刀圈表面改性的研究现状目前国内外盘形滚刀刀圈的常用材料主要包括热作模具钢、低合金超高强度钢以及轴承钢等，这些钢在经过适当的热处理后一般可以达到盾构机用刀具的性能要求。例如美国罗宾斯公司采用的盾构机滚刀刀圈材料为AISI4340钢，为低


本文编号：3306770