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TBM滚刀H13钢刀圈再制造过程中堆焊数值模拟与试验验证

何仕海  
【摘要】:全断面岩石隧道掘进机(以下简称TBM)在地下空间工程施工过程中,因位于刀盘上的盘形滚刀(以下简称滚刀)刀圈直接接触并切割岩石,导致刀圈刃部径向磨损等失效行为剧烈,进而产生了如下不利后果:一方面,刀圈失效会造成TBM停机检修,增加了工程施工时间成本;另一方面,刀圈失效后通常会被氧割拆除报废,无疑造成了刀圈材料的极大浪费,大大增加了工程施工成本。如何降低滚刀制造维护成本、提高滚刀使用寿命,已成为当前TBM装备制造业急需解决的难题。目前,业界已围绕刀盘面板、齿刀和主轴等TBM重要零部件开展了再制造工艺研究。然而作为TBM关键破岩部件——滚刀的再制造技术尚未见报道。为此,本论文以发生正常磨损失效的H13钢材质刀圈作为研究对象,基于MAG堆焊技术,开展了刀圈堆焊再制造工艺数值模拟与试验研究,主要研究工作如下:(1)基于MAG堆焊现有工程经验,设计了刀圈堆焊再制造工艺的基本流程,提出了堆焊参数选取的基本原则,并从装备条件、工艺技术、市场需求等方面论证了刀圈堆焊再制造技术的可行性。(2)用SYSWELD软件建立了H13钢板材试样的单道单层堆焊有限元模型,从温度场、应力场和变形场对堆焊过程进行了数值模拟分析;制备出了与工程刀圈具有相似材质和硬度水平的H13钢板材试样,并借助Panasonic-TA1400弧焊机器人平台开展了该材质试样的可焊性物理验证试验,其研究结果表明:仿真和实验结果基本吻合;堆焊层与母材发生了物理冶金结合,获得的堆焊层无气孔、夹杂和裂纹等明显缺陷;堆焊残余变形主要集中在堆焊层,变形方向主要发生在堆焊层厚度方向;堆焊层硬度是母材的1.5倍左右;堆焊层主要共晶碳化物为V_8C_7和Si C,二次碳化物为Cr_(23)C_6和Cr_7C_3。(3)开展了堆焊层数、堆焊电流、堆焊电压、堆焊速度、外约束条件等不同因素下H13钢板材单道多层堆焊仿真优化研究,其研究结果表明:堆焊层热源中心的温度峰值随堆焊层数的增加呈先增加后平缓的趋势,第五层之后将不再对第一层产生堆焊热影响;单道多层堆焊过程无应力叠加现象,每层都要经历应力形成和释放的多次循环,导致残余应力值随堆焊层数的增加呈降低的趋势;为了降低热量影响和提高堆焊数值计算效率,堆焊层数到第五层即可;最终获得了H13钢板材最佳的堆焊再制造工艺参数,即堆焊速度5mm/s、线能量值418J/mm、环境温度20℃、基板温度200℃和层间等待时间180s。(4)基于获得的前述最佳堆焊再制造工艺参数,开展了堆焊件形状和堆焊路径对堆焊质量影响规律的研究,其研究结果表明:与板材相比,1/4刀圈的整体散热相对较好,残余应力水平和总体变形程度也相对较小。以1/4刀圈为基础,进一步数值模拟了全尺寸H13钢刀圈的单道五层堆焊再制造工艺过程,其研究结果表明:与板材试样和1/4刀圈相比,全尺寸滚刀刀圈的堆焊变形相对更小,且主要集中在堆焊层边缘处(即刀刃处);由于刀圈为闭环封闭形状,易导致热积累,故堆焊层焊后残余应力水平比板材试样相对高一些;应力集中处为第一层起弧、收弧处;给定时间内热影响区范围随层数的增加而增加,但热影响区域始终未贯穿刀圈芯部。本论文的研究成果不仅能为制定正常磨损失效刀圈堆焊再制造工艺流程提供指导依据,而且还能为其他失效形式刀圈的再制造工艺研究提供参考。


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