摘要： 针对目前盾构机刀具容易损坏，严重影响掘进效率的问题，设计了一种新的滚刀，完成了刀圈、刀体、刀盖、刀轴等主要零件的选材、设计和加工工艺，并对刀轴进行了强度校核，校核结果表明设计满足强度要求。

      关键词： 盾构机； 滚刀； 设计； 加工工艺

      1 、滚刀的设计

     根据滚刀的结构，可将滚刀分为单刃、双刃和多刃，通常以螺旋状或辐射状安装在刀盘上。作为破岩工具，滚刀主要用来对岩面的滚压破碎。滚刀的工作原理： 安装在刀盘上的盘形滚刀，通过盾构千斤顶紧压在待破碎的岩面上，在工作过程中，滚刀一方面绕自身轴线自转，同时随着刀盘的旋转，绕刀盘中心轴公转。在刀盘旋转扭矩和千斤顶垂直推力的共同作用下，分布在刀盘上的滚刀在掌子面上切出一组同心圆。当岩石的抗压强度低于刀盘千斤顶的推力时，岩石将直接被滚刀刀尖破碎，从而形成多道同心圆沟槽，随着刀盘的推进，沟槽深度逐渐加深，岩体表面裂纹逐渐扩大，最终使相邻同心圆沟槽间的岩石成片崩落，完成盘形滚刀的破岩过程。

     根据滚刀的工作原理，设计单刃正滚刀的结构如图1 所示。刀圈热压在刀体上，采用挡圈预防其在工作时发生轴向窜动；为了避免刀圈在切削过程中发生偏磨，采用一对相向安装的圆锥滚子轴承为刀圈提供被动回转能力；2 个端盖紧顶着轴承内圈，并与刀轴过盈配合，通过刀轴上的挡头进行轴向定位。

       刀圈在掘进时起着直接破碎岩石的功能，是较易损坏的关键部件，刀圈失效形式主要为疲劳磨损，即磨损表面因迭加变形产生疲劳微裂纹，裂纹在应力循环作用下失稳扩展，形成麻坑，逐渐磨损，最终达到磨损极限而失效。刀圈的设计要兼顾破岩效率和使用寿命，需要从外形和选材方面来考虑。其破岩能力与刃口宽度有关，刃口较窄时破岩效率提高，磨损较快，在材料不允许时，可以考虑用增加刃口宽度，来提高刀圈寿命，但这会损失一部分开挖效率。刀圈从顶部刃口到底部的过渡区， 一般形状为角度很小的梯形，使其失效的刃口宽度基本保持不变。在选材料上，根据试验研究，在中等偏硬或磨砺性强的岩石及硬岩层中掘进，刀刃负荷及所受冲击大，刀刃表面温度也高，所以要求刀圈材料的HRC55~5，而且要有较好的热稳定性，以免刀刃因发热而硬度降低， 因此选用5Cr5MoWVSiRe, 这种钢具有高强度、高硬度、高韧性的特点。

        刀圈结构设计： 刀刃两边斜角均为10°， 外径108 mm，内径71 mm，宽20 mm，与刀体过盈配合，热压在刀体上，周向上用焊点再加以固定。

       刀体、端盖和刀轴是盘形滚刀的主要加工件，由于它们在工作过程中需要承受很大的冲击载荷，因此，刀体、端盖和刀轴均采用中碳合金钢40Cr 制作，并经调质处理。为了保证刀体安装轴承的两内孔的同心度，在加工过程中，使用专用夹具或数控机床进行加工。

       TIMKEN 公司生产的30205-9X048 型号圆锥滚子轴承，每把刀2 套。轴承外径52 mm，内径25 mm，宽16.25 mm，额定动载荷32.2 kN，额定静载荷23 kN。选用O 形密封圈，尺寸为56 mm×2.65 mm，安装螺栓用M630 螺栓。

       2 正滚刀刀轴的校核

       取切割深度h=3 mm， 岩石抗压强度σc=150 MPa，盘形滚刀半径R=54 mm，盘形滚刀刀刃角θ=20°，刀刃圆角半径r=8 mm，抗剪强度τ=26 MPa，岩石弹性模量E2=53 GPa，刀圈弹性模量E1=210 GPa，刀间距S=48 mm。采用秋三藤三郎的剪切破碎理论来计算侧向力Fs，即盘形滚刀的侧向力为将两相邻盘形滚刀间的岩石剪掉的反作用力，即

       图2 为正滚刀的力学模型，其中A、E 为刀轴两端支点，FNV1、FNV2分别为支反力；B、D 为轴承作用力位置，其对轴的垂直于轴的作用力都为FV/2，图中未画出A、E 支点以及B、D 处作用在轴上的轴向力，因为它们不会对下面的计算过程产生影响。

          3 结语

       通过对零件的结构、选材和加工工艺的设计，本文设计的滚刀能够满足强度要求， 具有耐磨性好，配合精度高，刀具螺栓不易松动、脱落、断裂等特点。