徐 寅，樹(shù) 軍，王樹(shù)東，吳春雨

（中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司，江蘇 常熟 215500）

隨著城市地鐵軌道交通的快速發(fā)展，盾構(gòu)機(jī)作為地鐵隧道挖掘的重要施工設(shè)備被廣泛的運(yùn)用。盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展使隧道的施工更加安全，工程質(zhì)量更好，大大的縮短了工期和人力。其中土壓平衡盾構(gòu)更是地鐵盾構(gòu)最常用的機(jī)種。其中作為排土系統(tǒng)的核心“螺旋機(jī)”不得不提，排土原理主要是通過(guò)螺旋機(jī)后端的液壓驅(qū)動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)螺旋軸的旋轉(zhuǎn)把渣土從土倉(cāng)抽出，運(yùn)送到螺旋機(jī)出土口，然后再由皮帶機(jī)將渣土運(yùn)出盾體，最后通過(guò)渣土車(chē)運(yùn)離隧道。螺旋機(jī)葉片的直徑和節(jié)距尺寸決定了螺旋機(jī)所能排出渣土或渣石的大小的能力，如果螺旋機(jī)排渣能力不能排出盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)切削下來(lái)的最大塊石，那么塊石會(huì)在土倉(cāng)內(nèi)堆積增加刀盤(pán)的負(fù)載扭矩，加速刀盤(pán)盤(pán)體的磨損在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)增加了設(shè)備的1個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素，所以螺旋機(jī)葉片的制作質(zhì)量的保證對(duì)整個(gè)盾構(gòu)機(jī)的質(zhì)量保證起到了非常重要的作用。

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)上比較常用螺旋機(jī)的有帶式螺旋機(jī)（無(wú)軸式）和軸式螺旋機(jī)（有軸式），二者的區(qū)別主要在于中間是否有軸。（如圖1、2）

螺旋機(jī)形式選擇主要取決于盾構(gòu)機(jī)所使用的地質(zhì)條件，如圖1帶式螺旋機(jī)的螺距大中間無(wú)軸，能夠通過(guò)接近螺旋軸軸徑的塊石，通過(guò)塊石粒徑較大，一般運(yùn)用于卵石含量多或巖層比較破碎的地層。軸式螺旋機(jī)由于中間有軸，所能通過(guò)的最大塊石粒徑為螺旋機(jī)軸徑的一般還要減去中間軸的半徑，通過(guò)塊石粒徑較小，一般運(yùn)用于軟土地層或地下水豐富的復(fù)合地層。

圖1 帶式螺旋機(jī)的螺旋軸

圖2 軸式螺旋機(jī)的螺旋軸

如圖1、2帶式螺旋軸與軸式螺旋軸主要區(qū)別在于葉片中間是否有軸，以及葉片的厚度。因?yàn)閹铰菪S中間無(wú)軸強(qiáng)度相對(duì)較小，所以加厚葉片加強(qiáng)螺旋軸整體的強(qiáng)度。但是這兩種葉片的制作原理基本是相同的。同時(shí)螺旋葉片也是螺旋機(jī)各種零件中的核心，由于其具有特殊的空間曲面形狀，螺旋葉片的加工制作具有一定的難度。

1 螺旋葉片的制作方法［1］

1.1 單片手工熱壓成形法

單片手工熱壓成形法是將按單片螺旋葉片展開(kāi)圖下好料的坯料加熱到700℃左右后，在單片熱成形胎具上用手工捶打成形。這種方法的特點(diǎn)：

（1）成形工藝簡(jiǎn)單，使用小批量生產(chǎn)螺旋葉片；

（2）生產(chǎn)條件差，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低；

（3）螺旋葉片成形質(zhì)量不穩(wěn)定，焊接組合誤差大；

（4）適用于螺旋葉片薄的坯料成形。

1.2 胎具熱壓成形法

胎具熱壓成形法是將按單片螺旋葉片展開(kāi)圖下好的坯料加熱到700℃左右后放入成形胎具中在壓力機(jī)上熱壓成形。這種成形胎具的安裝面與導(dǎo)柱方向垂直。這種成形方法的特點(diǎn)；

（1）需要加工專(zhuān)用熱壓成形胎具，適合于批量生產(chǎn)螺旋葉片；

（2）生產(chǎn)效率高，但生產(chǎn)條件差，勞動(dòng)強(qiáng)度大；

（3）螺旋葉片成形質(zhì)量穩(wěn)定，但成形螺旋葉片外觀質(zhì)量差；

（4）適用于螺旋葉片厚的坯料成形。

1.3 胎具冷壓成形法

胎具冷壓成形法是將按單片螺旋葉片展開(kāi)圖下好的坯料直接放入成形胎具中，在壓力機(jī)上冷壓成形。成形胎具需從受力的角度考慮，使壓制時(shí)徑向力較小，葉片不下滑。這種方法的特點(diǎn)：

（1）需要加工專(zhuān)用冷壓成形胎具，適用于批量生產(chǎn)螺旋葉片；

（2）生產(chǎn)效率高，改善了勞動(dòng)環(huán)境，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度；

（3）螺旋葉片成形質(zhì)量穩(wěn)定，外觀質(zhì)量好；

（4）胎具的導(dǎo)程等于葉片的導(dǎo)程加上坯料冷壓后的反彈量，對(duì)不同材質(zhì)的螺旋葉片坯料需經(jīng)試驗(yàn)來(lái)確定胎具的導(dǎo)程。

（5）降低能耗，節(jié)約成本；

（6）對(duì)于螺旋葉片板薄的坯料宜采用此法。

根據(jù)上述3種方法分析［2］，軸式螺旋機(jī)螺旋葉片薄成形質(zhì)量要求高宜選用“胎具冷壓成形法”，帶式螺旋機(jī)螺旋葉片厚宜選用“胎具熱壓成形法”。

2 螺旋葉片的制作及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算

2.1 胎具的組成

由于螺旋葉片形狀是螺旋狀的，其表面是1個(gè)不規(guī)則的螺旋面。所以制作螺旋葉片所用的胎具形狀需與制作的螺旋葉片相匹配。（如圖3）

圖3 螺旋葉片胎具

由圖3可知螺旋葉片的胎具主要有上、下模，壓板，導(dǎo)柱，定位板組成。螺旋機(jī)葉片的制作就是先將胎具的下壓板安裝、固定在壓機(jī)上，然后將葉片加熱后放入胎具的上、下模蓋板中間，最后通過(guò)壓機(jī)的作用力將葉片壓制成型。所以確定胎具上、下模蓋板的螺旋面，也就確定的螺旋葉片的形狀。下面就介紹下螺旋胎具各參數(shù)的計(jì)算及尺寸的確定。

2.2 螺旋葉片尺寸計(jì)算

首先需要了解幾個(gè)概念：上、下模蓋板（螺旋葉片）成形后的節(jié)距P、葉片內(nèi)徑d、葉片外徑D。（如圖4）

圖4 葉片示意圖

通過(guò)以下公式可求得上、下模蓋板（螺旋葉片）的下料尺寸［3］：

式中：L/mm——外螺旋線實(shí)長(zhǎng)；

l/mm——內(nèi)螺旋線實(shí)長(zhǎng)；

h/mm——葉片高；

r/mm——葉片展開(kāi)里口半徑；

α/°——切口角度；

C/mm——切口弦長(zhǎng)。

螺旋葉片胎具上、下模支撐板的在不同圓周點(diǎn)上的長(zhǎng)度尺寸可通過(guò)圖5上放樣得出。

圖5 螺旋葉片下料圖

此處以6m土壓平衡盾構(gòu)螺旋機(jī)的常用尺寸舉個(gè)例子來(lái)計(jì)算說(shuō)明：

已知螺旋葉片外徑D=710mm，軸徑d=150mm，節(jié)距P=510mm，帶入上式得到具體參數(shù)如下。

根據(jù)以上格式計(jì)算求得的值，即可作出上、下模蓋板（螺旋葉片）的展開(kāi)圖（下料尺寸），從而就能把螺旋葉片的胎具制作出來(lái)，螺旋葉片也就能通過(guò)胎具壓制成型。帶式螺旋葉片的計(jì)算同理。

2.3 螺旋葉片的加工

螺旋葉片加工成型后是單個(gè)節(jié)距的零件［4］，需要將數(shù)個(gè)螺旋葉片焊接起來(lái)才能形成螺旋機(jī)的螺旋軸，螺旋葉片的個(gè)數(shù)是根據(jù)螺旋機(jī)的長(zhǎng)度確定的。另外除了上述方法外帶式螺旋機(jī)的制造工藝也可采用鑄造形式的，本文對(duì)此制造工藝不進(jìn)行詳細(xì)探討。

由于盾構(gòu)機(jī)的螺旋機(jī)輸送的渣土大多含有石英砂等研磨性很強(qiáng)的物質(zhì)，所以在螺旋軸焊接完成后需要對(duì)螺旋葉片的表面及邊緣進(jìn)行耐磨堆焊。特別是頭部伸進(jìn)土倉(cāng)的部分耐磨堆焊需要加厚、加寬、加密。這樣才能使螺旋葉片的使用壽命以及功能得到保證。

3 結(jié)束語(yǔ)

上述介紹的方法在胎具制作完成后可對(duì)多個(gè)螺旋葉片進(jìn)制造生產(chǎn)，相對(duì)來(lái)說(shuō)是加工螺旋葉片較為簡(jiǎn)單，確實(shí)可行的方法，同時(shí)也運(yùn)用的比較普遍和廣泛。