盾构刀盘振动时效工艺应用

盾构是开发地下空间的重要施工装备，刀盘是盾构的主要工作部件，其结构强度是关系到盾构开挖效率、使用寿命、运行成本以及安全可靠性的关键之一。

在刀盘的焊接过程中，产生焊接应力与焊接变形根本原因是结构件在焊接中经受了不均匀的加热与冷却。焊接残余应力的存在，对刀盘的强度、疲劳寿命，结构变形等方面都是不利的。已有研究发现，刀盘本体结构内部在焊接等工艺流程引入的残余应力水平是影响刀盘结构强度的重要因素。这就要求在盾构的制造过程中有效消除或均化刀盘内部的残余应力，提高其抗外载能力和寿命。

本文以隧道施工的盾构刀盘为研究对象，研究应用振动时效处理技术消除刀盘焊接残余应力的方法及设备布置和参数设置，并对应用效果进行了评价。

刀盘参数

1. 大盘切削直径6210mm；

2. 刀盘整体高度1330mm

3. 刀盘刀梁厚度450mm

4. 刀盘面板厚度60mm

5. 刀盘背板厚度40mm

6. 刀盘圆环厚度80mm

7. 连接法兰厚度180mm

8. 结构重量40t

9. 焊接工艺为二氧化碳气体保护焊

10. 焊接材料为1.2mm502焊丝

11. 结构材料为Q345B钢板

刀盘本体为焊接结构，形状复杂，结构大部分采用厚度大于40mm的Q345B钢板，且焊缝多为满焊缝。

振动时效设备及处理工艺

设备采用南京聚航科技有限公司的JH-700A智能频谱交流振动时效设备，适用于高刚性和高固有频率零件的残余应力消除，采用高速变频伺服电机，激振力大，效果好。智能控制，自动判断时效效果。可实时显示曲线、图形等失效数据，有在线打印功能。

刀盘时效处理过程如下：

1. 用橡胶垫支撑刀盘，由于刀盘重量较重，故采用3个橡胶垫，使刀盘本体水平并处于良好的弹性状态。

2. 将激振器安装在刀盘的一阶模态的波峰处。

3. 将加速度传感器固定在刀盘的一阶模态的波峰处。

4. 对刀盘进行振动扫频实验，绘画出时效前的幅频曲线如图1，找出谐振频率。

5. 在3档激振力作用下对金属构件进行振动时效处理，振动时间为30min。

6. 在同等条件下，对刀盘进行时效后扫频实验，绘画出振动时效后的幅频曲线如图1。

图1 主振点的幅-频曲线

鉴于刀盘本体结构复杂，试验中采取了相同工艺增加辅振点的方法，来保证振动时效处理的效果，辅助振动时间为15min。

刀盘振动时效处理效果分析

通常根据幅-频曲线的变化、共振频率的变化和激振功率的变化等来评价振动时效的效果。从图1可以看出，振后的振幅比振前的振幅略有增加，共振的频率振后比振前降低。同时，振后的峰值频带变窄。辅振点的幅-频曲线反应的现象也与图1一样。由此判断和分析出振动时效处理的工艺效果。做出这个判断的根据是当刀盘在激振能量的作用下产生塑性变形时，其残余应力得到松弛，金属的材质被强化。其结果是结构的阻尼下降，使激振能量更多地消耗在工件振动的位移上，提高工件的振幅；同时，工件阻尼的降低使工件振动的周期增加，振动频率降低。

总结

振动时效技术有效消除了刀盘本体因焊接产生的残余应力，稳定了结构外形尺寸，提高了刀盘本体的耐用性，从而在节约制造时间的同时提高了经济效益。通过采用振动时效去除焊接结构残余应力的实践，证明该方法去除残余应力的效果明显，而且节能、环保。对于大型焊接结构件，在不具备热处理条件时，采用振动时效处理在一定程度上是可行的。