盾構(gòu)是開發(fā)地下空間的重要施工裝備，刀盤是盾構(gòu)的主要工作部件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是關(guān)系到盾構(gòu)開挖效率、使用壽命、運(yùn)行成本以及安全可靠性的關(guān)鍵之一。

在刀盤的焊接過(guò)程中，產(chǎn)生焊接應(yīng)力與焊接變形根本原因是結(jié)構(gòu)件在焊接中經(jīng)受了不均勻的加熱與冷卻。焊接殘余應(yīng)力的存在，對(duì)刀盤的強(qiáng)度、疲勞壽命，結(jié)構(gòu)變形等方面都是不利的。已有研究發(fā)現(xiàn)，刀盤本體結(jié)構(gòu)內(nèi)部在焊接等工藝流程引入的殘余應(yīng)力水平是影響刀盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要因素。這就要求在盾構(gòu)的制造過(guò)程中有效消除或均化刀盤內(nèi)部的殘余應(yīng)力，提高其抗外載能力和壽命。

本文以隧道施工的盾構(gòu)刀盤為研究對(duì)象，研究應(yīng)用振動(dòng)時(shí)效處理技術(shù)消除刀盤焊接殘余應(yīng)力的方法及設(shè)備布置和參數(shù)設(shè)置，并對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

刀盤參數(shù)

1. 大盤切削直徑6210mm；

2. 刀盤整體高度1330mm

3. 刀盤刀梁厚度450mm

4. 刀盤面板厚度60mm

5. 刀盤背板厚度40mm

6. 刀盤圓環(huán)厚度80mm

7. 連接法蘭厚度180mm

8. 結(jié)構(gòu)重量40t

9. 焊接工藝為二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊

10. 焊接材料為1.2mm502焊絲

11. 結(jié)構(gòu)材料為Q345B鋼板

刀盤本體為焊接結(jié)構(gòu)，形狀復(fù)雜，結(jié)構(gòu)大部分采用厚度大于40mm的Q345B鋼板，且焊縫多為滿焊縫。

振動(dòng)時(shí)效設(shè)備及處理工藝

設(shè)備采用南京聚航科技有限公司的JH-700A智能頻譜交流振動(dòng)時(shí)效設(shè)備，適用于高剛性和高固有頻率零件的殘余應(yīng)力消除，采用高速變頻伺服電機(jī)，激振力大，效果好。智能控制，自動(dòng)判斷時(shí)效效果。可實(shí)時(shí)顯示曲線、圖形等失效數(shù)據(jù)，有在線打印功能。

刀盤時(shí)效處理過(guò)程如下：

1. 用橡膠墊支撐刀盤，由于刀盤重量較重，故采用3個(gè)橡膠墊，使刀盤本體水平并處于良好的彈性狀態(tài)。

2. 將激振器安裝在刀盤的一階模態(tài)的波峰處。

3. 將加速度傳感器固定在刀盤的一階模態(tài)的波峰處。

4. 對(duì)刀盤進(jìn)行振動(dòng)掃頻實(shí)驗(yàn)，繪畫出時(shí)效前的幅頻曲線如圖1，找出諧振頻率。

5. 在3檔激振力作用下對(duì)金屬構(gòu)件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，振動(dòng)時(shí)間為30min。

6. 在同等條件下，對(duì)刀盤進(jìn)行時(shí)效后掃頻實(shí)驗(yàn)，繪畫出振動(dòng)時(shí)效后的幅頻曲線如圖1。

圖1 主振點(diǎn)的幅-頻曲線

鑒于刀盤本體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，試驗(yàn)中采取了相同工藝增加輔振點(diǎn)的方法，來(lái)保證振動(dòng)時(shí)效處理的效果，輔助振動(dòng)時(shí)間為15min。

刀盤振動(dòng)時(shí)效處理效果分析

通常根據(jù)幅-頻曲線的變化、共振頻率的變化和激振功率的變化等來(lái)評(píng)價(jià)振動(dòng)時(shí)效的效果。從圖1可以看出，振后的振幅比振前的振幅略有增加，共振的頻率振后比振前降低。同時(shí)，振后的峰值頻帶變窄。輔振點(diǎn)的幅-頻曲線反應(yīng)的現(xiàn)象也與圖1一樣。由此判斷和分析出振動(dòng)時(shí)效處理的工藝效果。做出這個(gè)判斷的根據(jù)是當(dāng)?shù)侗P在激振能量的作用下產(chǎn)生塑性變形時(shí)，其殘余應(yīng)力得到松弛，金屬的材質(zhì)被強(qiáng)化。其結(jié)果是結(jié)構(gòu)的阻尼下降，使激振能量更多地消耗在工件振動(dòng)的位移上，提高工件的振幅；同時(shí)，工件阻尼的降低使工件振動(dòng)的周期增加，振動(dòng)頻率降低。

總結(jié)

振動(dòng)時(shí)效技術(shù)有效消除了刀盤本體因焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，穩(wěn)定了結(jié)構(gòu)外形尺寸，提高了刀盤本體的耐用性，從而在節(jié)約制造時(shí)間的同時(shí)提高了經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)采用振動(dòng)時(shí)效去除焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的實(shí)踐，證明該方法去除殘余應(yīng)力的效果明顯，而且節(jié)能、環(huán)保。對(duì)于大型焊接結(jié)構(gòu)件，在不具備熱處理?xiàng)l件時(shí)，采用振動(dòng)時(shí)效處理在一定程度上是可行的。