盾構刀盤振動時效工藝應用

盾構是開發地下空間的重要施工裝備，刀盤是盾構的主要工作部件，其結構強度是關系到盾構開挖效率、使用壽命、運行成本以及安全可靠性的關鍵之一。
在刀盤的焊接過程中，產生焊接應力與焊接變形根本原因是結構件在焊接中經受了不均勻的加熱與冷卻。焊接殘余應力的存在，對刀盤的強度、疲勞壽命，結構變形等方面都是不利的。已有研究發現，刀盤本體結構內部在焊接等工藝流程引入的殘余應力水平是影響刀盤結構強度的重要因素。這就要求在盾構的制造過程中有效消除或均化刀盤內部的殘余應力，提高其抗外載能力和壽命。
本文以隧道施工的盾構刀盤為研究對象，研究應用振動時效處理技術消除刀盤焊接殘余應力的方法及設備布置和參數設置，并對應用效果進行了評價。
刀盤參數
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.刀盤圓環厚度80mm
7.連接法蘭厚度180mm
8.結構重量40t
9.焊接工藝為二氧化碳氣體保護焊
10.焊接材料為1.2mm502焊絲
11.結構材料為q345b鋼板
刀盤本體為焊接結構，形狀復雜，結構大部分采用厚度大于40mm的q345b鋼板，且焊縫多為滿焊縫。
振動時效設備及處理工藝
設備采用南京聚航科技有限公司的jh-700a智能頻譜交流振動時效設備，適用于高剛性和高固有頻率零件的殘余應力消除，采用高速變頻伺服電機，激振力大，效果好。智能控制，自動判斷時效效果。可實時顯示曲線、圖形等失效數據，有在線打印功能。
刀盤時效處理過程如下：
1.用橡膠墊支撐刀盤，由于刀盤重量較重，故采用3個橡膠墊，使刀盤本體水平并處于良好的彈性狀態。
2.將激振器安裝在刀盤的一階模態的波峰處。
3.將加速度傳感器固定在刀盤的一階模態的波峰處。
4.對刀盤進行振動掃頻實驗，繪畫出時效前的幅頻曲線如圖1，找出諧振頻率。
5.在3檔激振力作用下對金屬構件進行振動時效處理，振動時間為30min。
6.在同等條件下，對刀盤進行時效后掃頻實驗，繪畫出振動時效后的幅頻曲線。
鑒于刀盤本體結構復雜，試驗中采取了相同工藝增加輔振點的方法，來保證振動時效處理的效果，輔助振動時間為15min。
刀盤振動時效處理效果分析
通常根據幅-頻曲線的變化、共振頻率的變化和激振功率的變化等來評價振動時效的效果。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，振后的峰值頻帶變窄。輔振點的幅-頻曲線反應的現象也與圖1一樣。由此判斷和分析出振動時效處理的工藝效果。做出這個判斷的根據是當刀盤在激振能量的作用下產生塑性變形時，其殘余應力得到松弛，金屬的材質被強化。其結果是結構的阻尼下降，使激振能量更多地消耗在工件振動的位移上，提高工件的振幅；同時，工件阻尼的降低使工件振動的周期增加，振動頻率降低。
總結
振動時效技術有效消除了刀盤本體因焊接產生的殘余應力，穩定了結構外形尺寸，提高了刀盤本體的耐用性，從而在節約制造時間的同時提高了經濟效益。通過采用振動時效去除焊接結構殘余應力的實踐，證明該方法去除殘余應力的效果明顯，而且節能、環保。對于大型焊接結構件，在不具備熱處理條件時，采用振動時效處理在一定程度上是可行的。
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