盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)密封故障處理與防護(hù)技術(shù)

吳朝來

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司專用設(shè)備中心，河南洛陽 471009)

0 引言

盾構(gòu)機(jī)螺旋輸送機(jī)的作用主要是出渣和調(diào)節(jié)土倉壓力。在盾構(gòu)施工過程中由于地質(zhì)條件、操作和設(shè)備自身等因素造成螺旋輸送機(jī)葉片的磨損，致使刀具碎塊、楔形塊等物體容易進(jìn)入螺旋葉片外緣與簡體之間，易將螺桿卡死，并造成螺旋機(jī)嚴(yán)重磨損，使得葉片與筒體內(nèi)徑之間間隙過大，影響出土效率以及出現(xiàn)螺桿焊接位置容易斷開，唇形密封損壞等現(xiàn)象［1］。目前已有很多關(guān)于螺旋輸送機(jī)損壞維修的實(shí)例及研究，如:文獻(xiàn)［2－4］主要介紹了螺旋輸送機(jī)葉片磨損機(jī)制及分析;文獻(xiàn)［5］主要介紹了螺旋輸送機(jī)的故障處理及日常維護(hù);文獻(xiàn)［6］主要對(duì)土壓平衡盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的維修技術(shù)進(jìn)行了探討;文獻(xiàn)［7］主要介紹了盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)在隧道內(nèi)拆卸與維修技術(shù)。但很少有螺旋輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)密封故障處理措施的介紹。本文結(jié)合重慶市軌道交通六號(hào)線施工過程中多臺(tái)盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的維修實(shí)例，針對(duì)螺旋輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)密封損壞，導(dǎo)致減速箱漏油和進(jìn)泥沙這一現(xiàn)象，著重對(duì)螺旋輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)密封故障處理與防護(hù)技術(shù)進(jìn)行了探討。

1 工程概況

重慶市軌道交通六號(hào)線為南北走向，南起重慶市南岸區(qū)茶園南站，經(jīng)渝中區(qū)、江北區(qū)、北部新區(qū)至北碚區(qū)五路口站，線路全長65.46 km。六號(hào)線二期工程線路長41.78 km，其中盾構(gòu)試驗(yàn)段工程區(qū)間線路總長15.262雙線km。區(qū)間隧道穿越地層為第四系全新統(tǒng)松散土層和侏羅系中統(tǒng)砂溪廟組砂巖、泥巖，為良好的基巖地層，完整性較好;巖石天然抗壓強(qiáng)度為6～41 MPa，砂巖石英含量高達(dá)52% ～73%。整體性較好的基巖對(duì)盾構(gòu)刀盤、刀具的耐磨性、破巖效率、刀具壽命，螺旋輸送機(jī)的耐磨性、出渣效率，盾構(gòu)的碴土改良、設(shè)備防扭等都提出了很高的要求。

2 螺旋輸送機(jī)結(jié)構(gòu)原理與故障現(xiàn)象

2.1 螺旋機(jī)結(jié)構(gòu)原理

盾構(gòu)采用周邊驅(qū)動(dòng)的軸式螺旋輸送機(jī)出渣，包括1個(gè)200 kW電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的5個(gè)液壓馬達(dá)、小齒輪、大齒圈、滑動(dòng)軸承等，最大輸出扭矩為145 kN·m，轉(zhuǎn)速為0～18 r/min，如圖1所示。螺旋軸采用驅(qū)動(dòng)端固定，另一端浮動(dòng)支撐的形式及前后各2道唇型密封保護(hù)軸承，通過軸承圓周上的幾個(gè)孔用遞進(jìn)式分配閥將油脂持續(xù)注入;在螺旋機(jī)的進(jìn)口處及減速箱前各配3個(gè)泡沫劑注入口;在螺旋機(jī)中間位置配備3個(gè)膨潤土注入口;以便盾構(gòu)機(jī)在砂層掘進(jìn)過程中，根據(jù)需要可注入添加劑改善土體的塑流性，減小渣土與機(jī)殼、螺桿之間的磨阻力，以降低螺旋機(jī)的扭矩和對(duì)螺旋機(jī)殼體與葉片的磨損。

圖1 螺旋機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖Fig.1 Driving mechanism of screw conveyor

2.2 螺旋機(jī)故障現(xiàn)象

在施工過程中，部分盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)齒輪箱中出現(xiàn)少量的水和泥砂，同時(shí)潤滑油消耗量也逐漸加大，隨后的掘進(jìn)過程中，齒輪箱中涌入的泥砂越來越多且油液的消耗量也相對(duì)增加，后來需每環(huán)補(bǔ)加1次(約19 L)方可掘進(jìn)。這種情況下判斷出螺旋輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)密封已損壞，為防止減速箱及其他部件損壞，決定在洞內(nèi)實(shí)施螺旋機(jī)密封更換。螺旋機(jī)新舊密封對(duì)照圖如圖2所示。

3 螺旋機(jī)密封失效原因分析

通過對(duì)螺旋輸送機(jī)工作原理及出現(xiàn)故障的實(shí)際情況進(jìn)行綜合判斷分析，總結(jié)出導(dǎo)致螺旋機(jī)密封損壞的原因主要有以下幾方面。

1)螺旋機(jī)設(shè)計(jì)不合理。由于螺旋輸送機(jī)的工作環(huán)境惡劣、受力狀態(tài)不良，采用前后2組滑動(dòng)軸承(即銅套)代替以往的滾動(dòng)軸承是不合理的。因?yàn)榛瑒?dòng)軸承適于承受較大的徑向力，螺旋軸與滑動(dòng)軸承間保留有一定的間隙，期間要有足量的潤滑油脂(帶有一定壓力);但實(shí)際的工況是，螺旋機(jī)的軸處于懸臂狀態(tài)下，滑動(dòng)軸承不僅受部分徑向力，還受相應(yīng)的彎矩。

2)螺旋機(jī)螺桿傾斜。螺旋輸送機(jī)螺桿傾斜是導(dǎo)致密封損壞和齒輪油不斷減少的主要原因。本設(shè)備掘進(jìn)的地層以砂巖為主，石英含量較高和螺旋機(jī)本身材料原因，導(dǎo)致螺旋葉片磨損過快，且磨損量超過了設(shè)計(jì)最大值，無法利用渣土將螺旋軸懸浮，致使螺桿嚴(yán)重傾斜，使唇形密封與腔體間隙過大，油從密封間隙中流失，泥漿涌入減速箱造成密封損壞，如圖3所示。

3)筒體連接面磨損。在螺旋機(jī)葉片磨損后，導(dǎo)致螺旋機(jī)筒體連接面磨損，使驅(qū)動(dòng)前部上側(cè)筒體連接面間隙抵消且緊緊壓死，在螺旋機(jī)出渣旋轉(zhuǎn)中連接面會(huì)不斷磨損。螺旋機(jī)筒體連接面起到迷宮密封作用，設(shè)計(jì)厚度為15 mm，磨損后測得邊緣處只有5 mm。這樣使原有的密封作用失效，泥漿涌入唇形密封唇口處，使密封損壞，減速箱進(jìn)泥，加劇了齒輪油的損耗及齒輪和軸套的磨損。每個(gè)筒體連接面的間隙都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)間隙，即使新密封更換后也無法達(dá)到預(yù)期效果，如圖4所示。

4)螺桿向前躥動(dòng)。螺桿向前躥動(dòng)導(dǎo)致減速箱箱體磨損。螺旋輸送機(jī)在工作中銅套磨損及其他配合間隙不斷增大，由于螺旋輸送機(jī)的安裝角度為21.5°，導(dǎo)致在出渣時(shí)螺桿受渣土的反力、自重與振動(dòng)作用向下滑動(dòng)，使大齒圈與箱體接觸(如圖5所示)，出現(xiàn)箱體局部損壞現(xiàn)象，且使螺桿在驅(qū)動(dòng)端固定作用減弱，在掘進(jìn)過程中無法更好地起到浮動(dòng)支撐作用，在螺旋機(jī)工作中出現(xiàn)振動(dòng)較大的現(xiàn)象。

5)油脂注入量不足。螺旋輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)密封中通過注入EP2來實(shí)現(xiàn)密封潤滑及填充密封腔的作用，前后密封腔各有4道油脂注入孔，通過遞進(jìn)式分配閥來實(shí)現(xiàn)均勻分配，其注入的最大流量為0.4 L/h(注脂原理如圖6所示)。盾構(gòu)掘進(jìn)處于保壓狀態(tài)時(shí)，設(shè)計(jì)的滑動(dòng)軸承處的注脂壓力明顯不足(達(dá)不到設(shè)計(jì)要求)，即螺旋機(jī)內(nèi)部壓力大于油脂注入壓力，造成泥漿滲入密封內(nèi)，使唇形密封唇口受到磨損。

4 洞內(nèi)螺旋機(jī)密封更換

由于減速箱內(nèi)泥砂進(jìn)入較多，為了防止泥砂對(duì)箱體內(nèi)齒輪、軸套等部件產(chǎn)生進(jìn)一步損傷，決定進(jìn)行螺旋機(jī)驅(qū)動(dòng)唇形密封更換。

1)螺旋機(jī)加固。為了減少密封更換時(shí)間，防止拆卸后錯(cuò)位進(jìn)而影響安裝，首先將螺旋輸送機(jī)螺桿完全收回，然后將出料口段用工字鋼固定在設(shè)備橋兩側(cè)，并用手拉葫蘆將其固定在管片螺栓上。

圖6 驅(qū)動(dòng)密封注脂原理圖Fig.6 Principle of greasing of drive sealing

2)螺旋機(jī)后部密封拆卸。先將螺旋機(jī)驅(qū)動(dòng)部分與螺旋機(jī)后閘門段之間的連接螺栓拆掉，將螺旋機(jī)伸出，這樣螺旋機(jī)后部唇形密封就完全暴露出來，可將其拆卸，并對(duì)密封腔內(nèi)的污油、泥砂等雜物清理干凈后更換新密封與鋼環(huán)。更換完畢后可將螺旋機(jī)再次收回(為了安全采用現(xiàn)場控制)，使驅(qū)動(dòng)段與后閘門段對(duì)接安裝螺栓并緊固。

3)螺旋機(jī)前部密封更換。前部密封更換完畢后，將螺旋機(jī)驅(qū)動(dòng)部分也用工字鋼焊接在設(shè)備橋上，并在頂部用手拉葫蘆固定在管片螺栓上，固定完畢后將驅(qū)動(dòng)段與全部筒體段的連接螺栓拆卸;再次將螺旋機(jī)伸出，前部唇形密封也暴露后，即可進(jìn)行密封腔清理和密封更換工作;最后將螺旋機(jī)收回，安裝連接螺栓并緊固。

4)連接油脂管路。將原有的EP2油脂管路正確連接后，將HBW密封油脂管路和馬達(dá)分配器進(jìn)行布置連接，確保管路連接正確。

5)拆卸與清理。更換完畢后將固定架割除并拆卸手拉葫蘆，檢查各部分連接是否正確，然后試運(yùn)行。

5 防止螺旋輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)密封失效的措施

由于造成螺旋輸送機(jī)密封損壞失效的主要原因是螺旋葉片及筒體嚴(yán)重磨損和油脂注入量不足，為此提出故障預(yù)防和處理措施。

5.1 預(yù)防措施

1)螺旋機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在螺旋輸送機(jī)選型中，避免選擇目前采用的滑動(dòng)軸承(即銅套)，應(yīng)更換為滾動(dòng)軸承的形式。目前采用滑動(dòng)軸承的螺旋機(jī)在“中鐵裝備”、“Lovat”、“Komatsu”中都出現(xiàn)了類似問題，而采用調(diào)心軸承的“海瑞克”、“法馬通”中則均無此類故障。

2)渣土改良。為方便土體開挖，需要注入泡沫劑，以改良渣土的密封性和流塑性。不僅具有減少磨損和調(diào)節(jié)土倉壓力的作用，同時(shí)還有潤滑的功能。為此，在砂巖掘進(jìn)中，渣土改良的好壞決定著刀盤和螺旋機(jī)磨損的輕重。在掘進(jìn)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制泡沫注入量，必要時(shí)添加膨潤土，改變渣土的流塑性，減少對(duì)螺旋機(jī)葉片的磨損［8］。

3)合理選擇螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速。選擇合理的螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速有助于減少螺旋機(jī)葉片與筒體的磨損。理論上，螺旋輸送機(jī)的排土量Q是由螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速n來決定的，它們之間的關(guān)系［9］是:

式中:Q為理論輸出量，mm3/h;D為螺旋機(jī)筒體內(nèi)徑，mm;P為螺旋節(jié)距，mm;d為螺旋桿直徑，mm;n為螺旋速度，r/min;η為螺旋機(jī)的出土效率，%。

刀盤對(duì)土體的開挖量

式中:Q1為刀盤開挖量，m3/h;R為刀盤開挖半徑，m;v為掘進(jìn)速度，mm/min;β為巖石的松散系數(shù)。

當(dāng)螺旋輸送機(jī)理論輸出量Q等于刀盤切削量Q1時(shí)，土倉內(nèi)壓力達(dá)到平衡［9］，存在如下關(guān)系:

根據(jù)重慶地質(zhì)條件可知:松散系數(shù)β約為1.54;螺旋機(jī)的出土效率η約為0.6;盾構(gòu)刀盤開挖半徑R為3.14m;螺旋機(jī)筒體內(nèi)徑D為750mm;螺旋節(jié)距P為630 mm;螺旋機(jī)螺桿直徑d為194 mm。由以上條件又可得到螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速與掘進(jìn)速度的關(guān)系為

由此可以得出，當(dāng)推進(jìn)速度為50mm/min時(shí)，螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)選擇15 r/min為宜。

4)防止空倉掘進(jìn)。采用氣壓模式掘進(jìn)時(shí)，土倉中的渣土較少，造成螺旋機(jī)的出渣效率較低，無法將螺旋機(jī)的螺旋軸懸浮起來，加快了螺旋機(jī)葉片和筒壁的磨損。因此，防止空倉掘進(jìn)，保證有足夠的渣土懸浮螺旋軸是減少螺旋機(jī)葉片和筒壁受到磨損的有效手段。

5)嚴(yán)控加工工藝。螺旋取土端的內(nèi)壁焊接有耐磨合金，螺旋葉片邊緣焊有硬質(zhì)耐磨層，葉片兩側(cè)堆焊有硬質(zhì)合金條紋，這些設(shè)計(jì)使得螺旋機(jī)具有較好的耐磨性能。加工過程中要根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行加工，由于螺桿為45#鋼，焊接性能較差，需合理的焊接工藝才能保證焊接質(zhì)量(焊前預(yù)熱到150～250℃，焊后進(jìn)行去應(yīng)力熱處理，一般600～650℃保溫3～4 h)。

另外，在制造與組裝中要嚴(yán)格把好質(zhì)量關(guān)，保證螺桿的加工精度，減小螺旋機(jī)同軸度誤差，保證螺旋機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)螺旋軸與筒體的間隙。

5.2 故障處理

1)螺旋機(jī)葉片修復(fù)。測量螺旋葉片磨損量(螺旋機(jī)葉片厚度的初始值為272 mm)，螺旋葉片磨損量是由取土端向驅(qū)動(dòng)端呈遞減磨損。在洞內(nèi)對(duì)葉片磨損部位按磨損的實(shí)測情況可通過土倉內(nèi)和螺旋機(jī)筒體的3個(gè)觀察孔進(jìn)行分段焊接HARDOX－500耐磨鋼板，堆焊耐磨焊條，如圖7所示。

葉片補(bǔ)焊作業(yè)需注意以下問題:①保證焊接后葉片的圓弧度和平整性，不能有局部突出現(xiàn)象，防止在恢復(fù)后的運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)筒體磨損及卡螺旋機(jī)的情況;②在葉片和耐磨板上開焊接坡口，保證焊接質(zhì)量;③嚴(yán)格按照測量結(jié)果選取耐磨板的厚度，保證與螺旋機(jī)葉片的外徑一致;④在補(bǔ)焊工作完成后，清理螺旋機(jī)內(nèi)的雜物與工具，防止掘進(jìn)時(shí)造成卡螺旋機(jī)現(xiàn)象;⑤在恢復(fù)掘進(jìn)后要對(duì)螺旋輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測，檢查是否存在異響和振動(dòng)較大的現(xiàn)象。

圖7 螺旋葉片焊接情況Fig.7 Welding of spiral blades

2)改善油脂注入量。為了增強(qiáng)螺旋機(jī)驅(qū)動(dòng)的密封性，在原有的基礎(chǔ)上又分別在唇形密封前的迷宮密封處各增加2個(gè)HBW油脂注入孔，并從油脂泵連接管路到馬達(dá)分配器平均分配4個(gè)注脂孔，防止外部泥漿涌入對(duì)密封造成損傷，如圖8所示。

圖8 螺旋機(jī)油脂改造原理圖Fig.8 Principle of greasing modification

3)更換損壞部件。螺旋輸送機(jī)在工作中滑動(dòng)銅套及筒體連接面有嚴(yán)重?fù)p壞且無法修復(fù)的，對(duì)其進(jìn)行更換，提高密封性，消除隱患，避免對(duì)更換的新密封再次造成損害。

6 結(jié)論與討論

在盾構(gòu)施工中，由于工況所限，防止螺旋輸送機(jī)過早損壞顯得尤為重要。如果在隧道內(nèi)實(shí)施螺旋機(jī)葉片補(bǔ)焊等修復(fù)工作，勢必要耽誤大量的掘進(jìn)時(shí)間，影響施工效率。因此，在盾構(gòu)掘進(jìn)中必須嚴(yán)格監(jiān)控螺旋輸送機(jī)的磨損及運(yùn)行狀況，密切關(guān)注地質(zhì)條件的變化，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，做到“以防為主，防治結(jié)合”，避免因螺旋輸送機(jī)故障而造成整機(jī)癱瘓。

重慶地區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)證明:通過驅(qū)動(dòng)密封故障處理，對(duì)故障螺旋輸送機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)有良好的效果。它不僅提高了盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率，也增加了螺旋輸送機(jī)的使用壽命。這種技術(shù)能有效地處理螺旋輸送機(jī)故障問題，可在將來盾構(gòu)施工中合理運(yùn)用，也為進(jìn)一步研究螺旋輸送機(jī)故障處理與防護(hù)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

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