發(fā)布時(shí)間：2020-08-08 22:21

【摘要】：全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(Full-face Tunnel Boring Machine-TBM)由于具有高效的掘進(jìn)速率和極好的安全性已成為開(kāi)挖隧道必不可少的重要工程機(jī)械,目前已在鐵路、地鐵、城軌等基礎(chǔ)建設(shè)中廣泛應(yīng)用,并且隨著“十三五”規(guī)劃及“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施,隧道掘進(jìn)機(jī)的需求量日益增加。掘進(jìn)機(jī)刀具是掘進(jìn)機(jī)破碎巖石的關(guān)鍵部件,也是掘進(jìn)機(jī)中的易損耗部件。據(jù)統(tǒng)計(jì),在隧道施工過(guò)程中所消耗的掘進(jìn)機(jī)刀具成本可占總施工成本的30%左右,可見(jiàn),提高刀具使用壽命、降低刀具生產(chǎn)成本可有效降低隧道施工總成本。目前,由德國(guó)Wirth公司、美國(guó)Robbins公司等生產(chǎn)的掘進(jìn)機(jī)刀具綜合性能和市場(chǎng)口碑良好,已基本壟斷了掘進(jìn)機(jī)刀具的市場(chǎng);而我國(guó)掘進(jìn)機(jī)刀具的生產(chǎn)水平較低,刀具的綜合性能和使用壽命尚不能達(dá)到國(guó)際水平,大部分刀具仍然依賴(lài)進(jìn)口,嚴(yán)重制約了我國(guó)隧道掘進(jìn)事業(yè)的發(fā)展。因此,開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的優(yōu)質(zhì)掘進(jìn)機(jī)刀具鋼,提高掘進(jìn)機(jī)刀具使用壽命,降低刀具生產(chǎn)成本具有重大的國(guó)民經(jīng)濟(jì)意義。本研究通過(guò)合金成分優(yōu)化以及特定的熱處理工藝(預(yù)處理+淬火和回火工藝)制得了一種新型高Cr鑄造掘進(jìn)機(jī)刀具鋼(High-Cr cast tunnel boring machine cutter steel-HBC鋼),此鋼材與鍛造H13鋼相比具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨粒磨損性、高抗熱疲勞性,同時(shí)具有較高的室溫沖擊韌性。本文通過(guò)對(duì)HBC鋼的熱處理工藝優(yōu)化、力學(xué)性能、磨粒磨損性能以及熱疲勞性能的研究得出以下結(jié)論:(1)通過(guò)對(duì)鑄造HBC鋼的組織、力學(xué)性能、耐磨粒磨損性能以及抗熱疲勞性能的研究,確定了新型高Cr鑄造掘進(jìn)機(jī)刀具鋼(HBC鋼)化學(xué)成分的最佳含量,其主要化學(xué)元素的最佳含量如下,C:0.33 wt.%—0.40 wt.%,Cr:9.5 wt.%—10.5 wt.%,Mo:1.8wt.%—2.1 wt.%,N i:0.8 wt.%—0.9 wt.%,V:0.8 wt.%—0.9 wt.%,Si:0.6 wt.%—0.8 wt.%,Mn:0.15 wt.%—0.25 wt.%。其中碳含量為0.40 wt.%時(shí),HBC鋼表現(xiàn)出了良好的綜合性能,其硬度約為58 HRC,屈服強(qiáng)度約1650 MPa,抗拉強(qiáng)度約2200 MPa,延伸率約7.4%,沖擊韌性約40 J/cm~2,各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或超過(guò)了鍛造H13鋼水平,達(dá)到了本研究中“以鑄代鍛”的預(yù)期目的。(2)確定了鑄造HBC鋼的最佳熱處理工藝:預(yù)處理+油淬+兩次回火。其中預(yù)處理工藝包括1230℃均勻化處理+1080℃正火處理+750℃退火處理;均勻化處理后,HBC鋼鑄態(tài)組織中的成分偏析現(xiàn)象基本得已消除,較大的碳化物部分分解或融入到基體當(dāng)中,碳化物的尺寸和形狀得到了明顯改善。HBC鋼的最佳淬火溫度為1070℃,最佳回火溫度為540—560℃,其回火組織主要為回火板條馬氏體,并在板條馬氏體上彌散析出了大量尺寸僅為30—60 nm的細(xì)小碳化物,這些納米尺寸的碳化物起到了很好的第二相強(qiáng)化作用,保證了HBC鋼的強(qiáng)度。(3)隨著碳含量的增加,HBC鋼的體積磨粒磨損率先降低后增加,碳含量為0.40 wt.%時(shí)體積磨損率達(dá)到最低,其耐磨損性能比H13鋼提高了約45%。當(dāng)碳含量小于0.40wt.%時(shí),HBC鋼的主要磨粒磨損機(jī)制為微觀切削磨損和犁溝磨損;當(dāng)碳含量大于0.45 wt.%時(shí),除微觀切削磨損和犁溝磨損外,微觀斷裂(剝落)磨損明顯增多,磨損表面出現(xiàn)較多麻點(diǎn)凹坑及脆斷現(xiàn)象,耐磨損性能有所下降。(4)隨著碳含量的增加,HBC鋼的抗熱疲勞性能呈下降趨勢(shì),碳含量越高,熱疲勞裂紋等級(jí)越高;隨著熱疲勞循環(huán)次數(shù)的增多,碳含量越高的HBC鋼點(diǎn)蝕現(xiàn)象越嚴(yán)重,由點(diǎn)蝕坑處萌生的裂紋數(shù)量也越多,尤其是碳含量大于0.45 wt.%以后點(diǎn)蝕現(xiàn)象更為嚴(yán)重。熱疲勞過(guò)程中,碳含量為0.33 wt.%和0.40 wt.%的HBC鋼表現(xiàn)出了很高的熱穩(wěn)定性,10000次熱疲勞之后,兩者的硬度僅下降了約1.5 HRC,而強(qiáng)度不僅沒(méi)有下降反而有少量提高。另外,在熱疲勞試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),氧化對(duì)熱疲勞裂紋的萌生及擴(kuò)展都有促進(jìn)作用,所以較高的抗氧化性是保證HBC鋼具有良好的抗熱疲勞性能的重要因素。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：U455.31
【圖文】：

圖 1.1 全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)及所用刀具類(lèi)型Fig. 1.1 Full-face tunnel boring machine and using cutter.2 TBM 刀具概述.2.1 TBM 刀具分類(lèi)目前全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)使用的刀具一般分為滾動(dòng)刀具和刮削刀具兩大類(lèi)[16-22]。刀具也簡(jiǎn)稱(chēng)為滾刀，滾刀在隨刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)還作自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其中根據(jù)刀刃的形狀刀可分為齒形滾刀和盤(pán)形滾刀。根據(jù)安裝位置的不同，滾刀又可分為正滾刀、中刀、邊滾刀以及擴(kuò)孔滾刀，圖 1.1(b)所示滾刀為正滾刀。刮削刀具一般簡(jiǎn)稱(chēng)為刮刀或割刀，刮刀只隨著刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)而沒(méi)有自轉(zhuǎn)，刮刀的種多，目前掘進(jìn)機(jī)上常用的刮刀有邊刮刀、齒刀、切刀和先行刀等，圖 1.1(c)和(d為齒刀和切刀。

第 1 章 緒論1.2.2 TBM 刀具的破巖機(jī)理及失效形式滾刀破巖機(jī)理：刀盤(pán)在縱向推力作用下，使刀盤(pán)上的滾刀壓入巖層，刀盤(pán)在驅(qū)動(dòng)裝置的作用下帶動(dòng)滾刀繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)各滾刀還繞各自的刀軸自轉(zhuǎn)，使?jié)L刀在巖面上連續(xù)滾壓，通過(guò)滾刀對(duì)巖體的擠壓和剪切迫使巖體發(fā)生破碎[13, 17]。滾刀一般適合于硬巖層中挖掘，如圖 1.2(a)所示為滾刀破巖示意圖，滾刀在大載荷推力下壓入巖層，在巖石的破碎區(qū)產(chǎn)生裂紋；滾刀持續(xù)旋轉(zhuǎn)擠壓此部位巖石，裂紋便向內(nèi)部擴(kuò)展，當(dāng)裂紋交匯連接時(shí)，則此部位的巖石便會(huì)剝落。刮刀破巖機(jī)理：刮刀在推力的作用下嵌入巖層中，刀盤(pán)帶動(dòng)刀具轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)刮削巖層，在掌子面形成一環(huán)環(huán)溝槽[18]。刮刀適合于在軟土地層開(kāi)挖，如圖 1.2(b)所示為切刀的破巖機(jī)理示意圖，切刀嵌入巖層后直接切除對(duì)應(yīng)土層，工作效率很高，但刀盤(pán)所受阻力較大，若遇到較硬的巖石時(shí)容易出現(xiàn)崩斷現(xiàn)象。

圖 1.3 TBM 刀具的部分失效形式 (a) 偏磨, (b) 崩裂Fig. 1.3 Partial failure of TBM cutter, (a) biasing wear, (b)brittle fracture另外，由于掘進(jìn)機(jī)在不同的土質(zhì)環(huán)境中工作，尤其是在含有海水或者氯離子的土質(zhì)中挖掘時(shí)，氯離子的腐蝕作用對(duì)刀具的磨損壽命有著重要的影響[23, 24]。同時(shí)在硬巖中掘進(jìn)時(shí)由于刀具與巖石劇烈摩擦產(chǎn)生大量熱量，容易在刀具表面產(chǎn)生疲勞裂紋[25, 26]，在巨大的推力下裂紋快速擴(kuò)展容易導(dǎo)致刀具的斷裂失效。綜合來(lái)看，刀具在工作過(guò)程中的失效形式雖然比較多，但都與刀具所用材料的硬度、耐磨損性、抗腐蝕性以及抗熱疲勞性有密切關(guān)系。1.2.3 TBM 刀具常用鋼材及其性能由于 TBM 刀具直接與巖石接觸，承受載荷大，失效幾率也大，所以其所用鋼材必須具有高強(qiáng)度、高硬度同時(shí)兼具一定的韌性。前文中已提到過(guò)，目前國(guó)內(nèi)掘進(jìn)機(jī)刀具還仍然依賴(lài)于進(jìn)口，并且德國(guó)維爾特公司和美國(guó)羅賓斯公司已形成了壟斷之勢(shì)，通過(guò)對(duì)這兩家公司生產(chǎn)的刀具進(jìn)行成分分析(如表 1.1 所示)可發(fā)現(xiàn)，德國(guó)維爾特公司采用

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 程巨強(qiáng);;盾構(gòu)滾刀材料及其熱處理工藝[J];建筑機(jī)械;2015年02期

2 胡勇;;淺析復(fù)合地層中盾構(gòu)刀具配置和掘進(jìn)技術(shù)控制[J];現(xiàn)代物業(yè)(上旬刊);2014年11期

3 田樂(lè)樂(lè);;土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀具的維護(hù)與管理措施[J];科技資訊;2014年23期

4 鄺偉華;;論盾構(gòu)機(jī)及其使用鑿巖鉆具種類(lèi)[J];廣東科技;2014年12期

5 張忠健;謝浩;林國(guó)標(biāo);賀軍;王茂青;馬紹宏;;盾構(gòu)機(jī)盤(pán)型滾刀刀圈關(guān)鍵材料設(shè)計(jì)與試制[J];硬質(zhì)合金;2013年06期

6 李仕宏;呂志峰;劉富來(lái);陸金仁;;盾構(gòu)機(jī)用滾刀刀圈材料的分析[J];鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具;2013年04期

7 劉躍娣;;簡(jiǎn)析化學(xué)元素對(duì)不銹鋼的影響[J];中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品;2013年07期

8 胡銘;董鑫業(yè);;盾構(gòu)機(jī)及其使用鑿巖鉆具種類(lèi)[J];鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具;2013年01期

9 張占杰;劉樸;趙海峰;袁國(guó);趙金華;吳志生;;TBM滾刀刀圈材料性能的研究[J];鋼鐵研究;2013年01期

10 楊雪春;徐麗平;;閥門(mén)鋼4Cr10Si2Mo的熱處理組織分析[J];邵陽(yáng)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2012年03期

相關(guān)會(huì)議論文 前1條

1 蒙曉蓮;薛景沛;施仲衡;;復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)刀具的研究與分析[A];可持續(xù)發(fā)展的中國(guó)交通——2005全國(guó)博士生學(xué)術(shù)論壇（交通運(yùn)輸工程學(xué)科）論文集（下冊(cè)）[C];2005年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 林化強(qiáng);脈沖電流對(duì)模具鋼熱影響區(qū)組織、力學(xué)性能和熱疲勞行為的影響[D];吉林大學(xué);2009年

2 隋鶴龍;新型高Cr熱作模具鋼的組織與性能[D];吉林大學(xué);2006年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前7條

1 張占杰;高韌性TBM滾刀刀圈材料及工藝的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[D];太原科技大學(xué);2013年

2 白小波;具有硬度梯度的刀圈材料的熱處理工藝研究[D];南昌大學(xué);2012年

3 趙先鵬;穿越上軟下硬地層盾構(gòu)隧道施工控制技術(shù)研究[D];西南交通大學(xué);2012年

4 陳顯志;盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)軸承有限元分析[D];吉林大學(xué);2009年

5 周興華;模具鋼表面制備金屬陶瓷覆層的組織性能研究[D];武漢理工大學(xué);2009年

6 韓立廣;脈沖電流處理對(duì)熱作模具鋼組織及性能的影響[D];吉林大學(xué);2008年

7 馮兆義;熱作模具鋼的熱疲勞性能影響因素的研究[D];吉林大學(xué);2006年

本文編號(hào)：2786191