TBM主軸承密封系統(tǒng)洞內(nèi)修復(fù)

賈 峰

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450003)

0 引言

南疆吐庫(kù)二線鐵路中天山隧道右線使用的TB880E型掘進(jìn)機(jī)是1997年鐵道部從德國(guó)引進(jìn)的首臺(tái)全斷面敞開(kāi)式硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)，先后承擔(dān)了秦嶺隧道、磨溝嶺隧道的掘進(jìn)任務(wù)，其后閑置達(dá)5年之久。2007年9月中天山隧道進(jìn)場(chǎng)前，對(duì)TBM設(shè)備進(jìn)行了系統(tǒng)的整修，截至目前，該設(shè)備在中天山隧道掘進(jìn)達(dá)12 km，累計(jì)掘進(jìn)已超過(guò)22 km。

掘進(jìn)機(jī)是集機(jī)、電、液于一體的隧道施工機(jī)械，主軸承為掘進(jìn)機(jī)的核心部件，其運(yùn)行狀態(tài)決定著設(shè)備的使用壽命，也影響著設(shè)備的工作效率。主軸承密封是隔斷外界與主軸承的屏障，若施工過(guò)程中主軸承密封受損，則會(huì)出現(xiàn)漏油、進(jìn)水、串脂、進(jìn)粉塵現(xiàn)象，從而嚴(yán)重影響設(shè)備的使用壽命。文獻(xiàn)［1］探討了主軸承密封出現(xiàn)故障后拆解刀盤和主軸承密封修復(fù)工藝;文獻(xiàn)［2］介紹了通過(guò)油樣檢測(cè)對(duì)主軸承密封進(jìn)行故障診斷;文獻(xiàn)［3］介紹了更換主軸承耐磨環(huán)的思路、工作程序、實(shí)施辦法和注意事項(xiàng);文獻(xiàn)［4］介紹了洞內(nèi)更換密封的過(guò)程和密封失效的原因。主軸承的地位十分重要，一旦停機(jī)，洞內(nèi)處理難度增大，將嚴(yán)重延誤施工工期［5］。本文提出了主軸承密封系統(tǒng)失效后，通過(guò)優(yōu)化傳統(tǒng)修復(fù)工藝，針對(duì)問(wèn)題提出創(chuàng)新修復(fù)工藝來(lái)修復(fù)主軸承密封系統(tǒng)，延長(zhǎng)主軸承的使用壽命。

1 主軸承系統(tǒng)概況

1.1 主軸承結(jié)構(gòu)及安裝方式

TB880E型隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)主軸承為三列圓柱滾子組合軸承，其外徑5 200 mm，滾道直徑約4 500 mm，可承受極大的推力載荷和刀盤傾覆力矩。通過(guò)72根M56－10.9級(jí)液壓預(yù)緊高強(qiáng)度螺栓與齒輪箱聯(lián)接，內(nèi)齒圈以64根M64－10.9級(jí)液壓預(yù)緊高強(qiáng)度螺栓與刀盤聯(lián)接，外圈以80根M72－10.9級(jí)液壓預(yù)緊高強(qiáng)度螺栓與前內(nèi)機(jī)架聯(lián)接(如圖1所示)。

圖1 主軸承結(jié)構(gòu)及安裝示意圖Fig.1 Structure and installation diagram of main bearing

1.2 主軸承密封系統(tǒng)

主軸承設(shè)有外密封和內(nèi)密封2套密封系統(tǒng)防止塵碴和水的侵入(見(jiàn)圖1)，內(nèi)、外密封均包括迷宮密封和3道唇形密封。其中，2道密封朝向灰塵可能侵入側(cè)(即刀盤方向)，1道密封朝向軸承潤(rùn)滑油側(cè)。刀盤側(cè)2道密封形成的空腔連續(xù)不斷地泵入油脂，油脂在空腔內(nèi)蠕動(dòng)，擠出后流向唇形密封前面的迷宮密封中。由于油脂不斷泵入，最終通過(guò)迷宮密封排出，并將迷宮內(nèi)的雜質(zhì)攜帶出去，保證主軸承內(nèi)的清潔。中間唇形密封和朝向潤(rùn)滑油的唇形密封之間的區(qū)域連續(xù)不斷地被潤(rùn)滑油沖刷，這樣可以保證密封的潤(rùn)滑［6－8］。

密封接觸表面進(jìn)行了硬化處理和磨削加工，在正常條件下，可使密封經(jīng)久耐用。如果表面出現(xiàn)磨損或需更換密封件，可將他們單獨(dú)移動(dòng)到新的表面上，而不需更換耐磨環(huán)。

1.3 主軸承的特點(diǎn)

主軸承和驅(qū)動(dòng)組件采用強(qiáng)制循環(huán)潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行潤(rùn)滑。齒輪和主軸承區(qū)域被密封隔開(kāi)，只允許潤(rùn)滑油從主軸承進(jìn)入齒輪箱，防止齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磨粒進(jìn)入軸承。從潤(rùn)滑油循環(huán)系統(tǒng)的過(guò)濾器中取出的油樣可以用來(lái)檢查密封系統(tǒng)的狀況［9］。

主軸承是TBM最關(guān)鍵的核心部件之一，其狀況直接影響到TBM的掘進(jìn)性能。使用過(guò)程中如果出現(xiàn)故障，由于洞內(nèi)作業(yè)空間狹小，修復(fù)工作將非常困難。

2 主軸承油水檢測(cè)及故障診斷

2.1 油水檢測(cè)

2012年7—8月發(fā)現(xiàn)主軸承內(nèi)迷宮處出脂口溢出的油脂不均勻，發(fā)現(xiàn)內(nèi)圈出脂口和迷宮磨損嚴(yán)重，主軸承齒輪油進(jìn)潤(rùn)滑脂較大，檢查結(jié)果顯示齒輪油的機(jī)械雜質(zhì)達(dá)到0.04%，有水分和粉塵進(jìn)入。

2.2 故障排查

主軸承內(nèi)圈有大量串脂和粉塵進(jìn)入，說(shuō)明主軸承內(nèi)圈唇形密封有一定的損傷或耐磨環(huán)已磨成溝槽狀;對(duì)主軸承密封進(jìn)行液壓沖洗后發(fā)現(xiàn)有齒輪油溢出現(xiàn)象，說(shuō)明內(nèi)圈耐磨環(huán)已被磨損;刀盤螺栓孔處有游離水、粉塵、油脂，說(shuō)明主軸承密封有一定損傷［10］;氣密試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)粉塵和水從呼吸器、冷卻器、齒輪油箱蓋、小齒輪軸承蓋板等處進(jìn)入主軸承和齒輪箱。綜上所述，內(nèi)圈密封已經(jīng)出現(xiàn)了損壞，因此，需要拆解主軸承，更換唇形密封。

3 故障處理方案及實(shí)施

3.1 制定方案

由于主軸承位于刀盤內(nèi)部，需要將刀盤與主軸承脫離才能對(duì)故障進(jìn)行處理。先拆除48顆刀盤聯(lián)接螺栓，預(yù)留對(duì)角各8顆螺栓，對(duì)刀盤進(jìn)行固定，拆除刀盤預(yù)留的連接螺栓，主機(jī)退后1.2 m，然后對(duì)主軸承故障進(jìn)行維修處理。

3.2 刀盤固定及脫離

3.2.1 刀盤固定

刀盤的固定主要采用錨桿和鋼板墊塊。利用刀盤上部的3個(gè)刮碴孔向周邊巖壁進(jìn)行鉆孔，并分別埋設(shè)5根φ 22錨桿，在下部左右兩側(cè)各施作2根φ 22錨桿，然后利用錨固好的錨桿與刀盤焊接連成一體來(lái)固定刀盤。將鋼板墊塊疊加電焊在一起作為刀盤支撐墊塊，分別安裝在刀盤下部5個(gè)支撐點(diǎn)。

3.2.2 刀盤與主軸承脫離

刀盤墊好后，對(duì)刀盤與主驅(qū)動(dòng)預(yù)留的聯(lián)接螺栓逐一松動(dòng)，消除存在的應(yīng)力，防止機(jī)體與刀盤分離時(shí)發(fā)生較大位移。刀盤固定后，用2個(gè)50 t千斤頂裝設(shè)在刀盤后端鋼板與護(hù)盾之間，使刀盤與主驅(qū)動(dòng)定位銷脫離，主機(jī)內(nèi)凱后退1.2 m，以提供更換密封所需的作業(yè)空間，文獻(xiàn)［1］中已詳細(xì)地介紹了刀盤與主軸承脫離的工序。

3.3 主軸承故障分析及維修

3.3.1 主軸承拆解及故障分析

主軸承內(nèi)圈迷宮密封分別有6塊迷宮組成，對(duì)內(nèi)、外迷宮依次進(jìn)行編號(hào)，防止修復(fù)后和安裝時(shí)出錯(cuò)，然后拆除迷宮。拆除后發(fā)現(xiàn)內(nèi)、外迷宮磨損嚴(yán)重(見(jiàn)圖2)，內(nèi)密封的耐磨鋼帶已經(jīng)斷裂脫落;唇形密封取出后，發(fā)現(xiàn)第1道密封已被鋼帶刺穿(見(jiàn)圖3)，其余密封基本已變形失效;拆除內(nèi)圈其他附件后，發(fā)現(xiàn)耐磨環(huán)上完好的鋼帶已被磨損成溝槽狀(見(jiàn)圖4)。

經(jīng)分析研究，總結(jié)出故障發(fā)生的原因有:1)外側(cè)的鋼帶斷裂并脫落，導(dǎo)致第1道密封刺穿，造成第1道密封完全失效。2)耐磨鋼帶的磨損導(dǎo)致密封唇口與耐磨環(huán)的配合間隙達(dá)不到設(shè)計(jì)和使用要求，密封效果不理想，無(wú)法形成連續(xù)的阻隔帶。3)主軸承內(nèi)迷宮密封和外迷宮的3道唇形密封磨損嚴(yán)重，間隙過(guò)大，無(wú)法起到密封作用，導(dǎo)致水和粉塵進(jìn)入主軸承內(nèi)部。

3.3.2 主軸承密封系統(tǒng)維修及安裝

3.3.2.1 迷宮密封修復(fù)

迷宮能有效地保護(hù)內(nèi)圈密封，一方面能夠阻隔大塊石子進(jìn)入密封，另一方面，密封內(nèi)不斷涌出的油脂可以將顆粒小的石子及粉塵排出。迷宮間隙過(guò)大，粉塵、水等雜質(zhì)就會(huì)進(jìn)入主軸承，對(duì)主軸承造成毀滅性破壞，所以，修復(fù)迷宮的成敗決定了密封更換的成敗。

現(xiàn)需要將磨損嚴(yán)重的迷宮焊接修復(fù)，使其性能接近原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)圖5)。在修復(fù)過(guò)程中，大量的焊接會(huì)導(dǎo)致迷宮弦長(zhǎng)變大(迷宮為圓弧狀)和上翹，致使迷宮無(wú)法安裝，修復(fù)失敗;其次，外迷宮為不動(dòng)體，內(nèi)迷宮為旋轉(zhuǎn)體，修復(fù)后要保證唇口的間隙，減少旋轉(zhuǎn)對(duì)內(nèi)、外迷宮的磨損。

圖5 原設(shè)計(jì)迷宮Fig.5 Original design of labyrinth

1)外迷宮修復(fù)。采用100 mm的鋼板做為基座，將迷宮和鋼板接觸面打磨平整，將迷宮放在鋼板上，通過(guò)段焊來(lái)固定迷宮(見(jiàn)圖6)，在迷宮的唇道加焊鍵條，最后進(jìn)行打磨。

圖6 修復(fù)外迷宮Fig.6 Outside labyrinth repairing

2)內(nèi)迷宮修復(fù)。以1個(gè)修復(fù)好的外迷宮為基準(zhǔn)安裝在主軸承上，將所有內(nèi)迷宮通過(guò)螺栓固定在主軸承上加鍵條焊接修復(fù)(見(jiàn)圖7)，在內(nèi)迷宮修復(fù)過(guò)程中，對(duì)1塊迷宮焊接一段后再與其他迷宮進(jìn)行輪換焊接，防止焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)引起迷宮變形。

圖7 修復(fù)內(nèi)迷宮Fig.7 Repaired inside labyrinth

在2個(gè)內(nèi)迷宮的接頭處，由于沒(méi)有螺栓固定，焊接過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)變形(見(jiàn)圖8)，在內(nèi)迷宮焊接完成后，將變形的迷宮再進(jìn)行修復(fù)處理(見(jiàn)圖9)，將修復(fù)好的內(nèi)、外迷宮安裝在主驅(qū)動(dòng)上，完成迷宮的修復(fù)(見(jiàn)圖10)。

3.3.2.2 更換耐磨鋼帶

1)耐磨環(huán)凹槽的加工。清除凹槽表面含粉塵的潤(rùn)滑脂，找出原耐磨鋼帶的接頭部位，做好標(biāo)識(shí)。用拋光機(jī)砂輪片把損壞的原耐磨鋼帶切斷，將原耐磨鋼帶沿粘合面撕脫，清理凹槽內(nèi)的殘留物，用拋光機(jī)把凹槽受損部位打磨光滑平整，并在耐磨環(huán)凹槽兩側(cè)標(biāo)示油道位置，測(cè)量并記錄油道孔尺寸(見(jiàn)圖11)。

清洗凹槽表面，用可塑鋼修補(bǔ)劑修補(bǔ)耐磨環(huán)上被唇形密封磨損的形成凹槽，可塑鋼修補(bǔ)劑生效后用刀片刮平，如圖12和圖13所示。

2)耐磨鋼帶的切割。為了使耐磨鋼帶與耐磨環(huán)粘合達(dá)到好的效果，需用拋光輪清除鋼帶表面打磨所產(chǎn)生的灰塵，見(jiàn)圖14。

將鋼帶起始端按入耐磨環(huán)最頂端的凹槽內(nèi)，用專用夾具壓緊耐磨鋼帶一端(見(jiàn)圖15)，將整條耐磨鋼帶逐步按入耐磨環(huán)凹槽，每2 m安裝一個(gè)專用夾具。當(dāng)耐磨鋼帶兩端重疊時(shí)，檢查耐磨鋼帶與耐磨環(huán)凹槽的間隙，確保整條耐磨鋼帶壓緊在耐磨環(huán)凹槽上。

在兩端的搭接處用劃針劃出耐磨鋼帶的切割位置，切割后，鋼帶兩端應(yīng)有焊接用的5 mm接縫間隙(見(jiàn)圖16)，以便下一步的焊接。

3)耐磨鋼帶安裝緊固。將1895粘結(jié)膠按比例混合調(diào)和后均勻地涂抹在耐磨鋼帶粗糙的粘結(jié)面上(見(jiàn)圖17)，兩端預(yù)留30 mm(見(jiàn)圖18)，確保下一步能干凈地進(jìn)行接縫焊接。

用專用夾具夾住起始端，從接縫位置按順時(shí)針?lè)较驅(qū)⒛湍ヤ搸нB續(xù)按入凹槽，并安置寬約32 mm的打包機(jī)彈簧鋼帶(見(jiàn)圖19)，扳動(dòng)打包機(jī)，使耐磨鋼帶能拉緊。

圖19 打包機(jī)壓緊鋼帶的安裝位置Fig.19 Position of clamping device

4)接縫焊接。耐磨鋼帶夾緊后，用氬弧焊機(jī)對(duì)耐磨鋼帶兩端接縫進(jìn)行點(diǎn)焊(見(jiàn)圖20)，拆掉打包機(jī)的彈簧鋼帶，將整個(gè)焊縫焊滿。

圖20 點(diǎn)焊接口Fig.20 Spot welding of joint

由于焊縫高于耐磨鋼帶，需對(duì)焊縫進(jìn)行仔細(xì)打磨，使耐磨鋼帶焊縫有較高的光潔度(見(jiàn)圖21)。

圖21 打磨后的焊縫Fig.21 Ground welding seam

焊縫冷卻后，將新混合的膠合劑與金屬切屑混合，通過(guò)注膠孔注入耐磨鋼帶接縫部位，注滿后用堵頭把2個(gè)口堵住。膠變硬后，除去表面保護(hù)用的粘膠帶和粘結(jié)膠殘留物。

根據(jù)原來(lái)油道孔的標(biāo)識(shí)，用磁力鉆在鋼帶與耐磨環(huán)對(duì)應(yīng)位置打出油道孔，開(kāi)啟油脂泵，使油道泵出油脂(見(jiàn)圖22)，排出打孔產(chǎn)生的鐵屑，清潔各工作面。

3.3.2.3 密封安裝

此TBM的密封有3種安裝方案，見(jiàn)圖23。在主軸承運(yùn)行過(guò)程中，唇形密封的唇邊易把耐磨鋼帶磨損成溝槽狀，導(dǎo)致密封效果不佳，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致鋼帶斷裂，刺穿密封。在密封效果不佳且耐磨鋼帶完好的情況下，可以按方案1—方案2—方案3的順序依次對(duì)密封進(jìn)行換位，避開(kāi)耐磨鋼帶的溝槽來(lái)改善密封效果。由于不需要更換鋼帶，從而節(jié)省了維修時(shí)間，提高了設(shè)備的利用率。

由于TBM已經(jīng)嚴(yán)重老化，迷宮等保護(hù)密封的關(guān)鍵部位都已磨損，其性能已經(jīng)不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。修復(fù)主軸承采用方案2進(jìn)行，一方面，第1道密封的檔圈可以有效保護(hù)密封;另一方面，密封效果不佳時(shí)，只通過(guò)密封換位就可以解決故障，不需要更換鋼帶。利用專用工具依次安裝內(nèi)圈密封部件，在安裝前2道密封時(shí)，在其唇口內(nèi)涂滿油脂(見(jiàn)圖24)。

圖24 安裝內(nèi)密封Fig.24 Positioning of inner seal

3.4 刀盤復(fù)位

耐磨鋼帶和密封更換完成后，依次安裝其他部件。拆除作業(yè)平臺(tái)，清潔結(jié)合面，把定位銷安裝到位，推進(jìn)主驅(qū)動(dòng)，使刀盤與主驅(qū)動(dòng)結(jié)合。利用螺栓拉拔器十字方向安裝刀盤連接螺栓，對(duì)稱預(yù)緊后最終緊固到位。拆除刀盤固定裝置，恢復(fù)掘進(jìn)狀態(tài)。

3.5 處理效果

經(jīng)過(guò)20 d的努力，完成了主軸承修復(fù)工作，掘進(jìn)工作恢復(fù)正常。在1個(gè)月內(nèi)掘進(jìn)150 m，通過(guò)對(duì)主軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)的油樣進(jìn)行分析，未發(fā)現(xiàn)水、機(jī)械雜質(zhì)超標(biāo)，更換濾紙袋也未發(fā)現(xiàn)有粉塵進(jìn)入，主軸承內(nèi)、外圈出脂狀況良好，主軸承運(yùn)轉(zhuǎn)正常，表明此次主軸承密封修復(fù)成功。

4 結(jié)論與建議

通常情況下，主軸承洞內(nèi)維修需要通過(guò)迂回導(dǎo)洞開(kāi)挖擴(kuò)大側(cè)室，且耗時(shí)長(zhǎng)，損失大。本次主軸承密封修復(fù)工作沒(méi)有對(duì)洞室進(jìn)行擴(kuò)挖，只是改變修復(fù)工藝，對(duì)傳統(tǒng)的修復(fù)工藝進(jìn)行了改革創(chuàng)新，并且針對(duì)問(wèn)題提出新的修復(fù)工藝，通過(guò)此次修復(fù)，能夠延長(zhǎng)主軸承的使用壽命。

在今后TBM施工過(guò)程中，必須加強(qiáng)油水檢測(cè)力度，結(jié)合鐵譜、光譜分析技術(shù)對(duì)油質(zhì)的性能指標(biāo)和磨損磨粒、污染度等進(jìn)行檢測(cè)。詳實(shí)記錄油樣檢測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)油水的檢測(cè)結(jié)果對(duì)主軸承內(nèi)部情況進(jìn)行分析，并且對(duì)主軸承外圍定期進(jìn)行檢查，對(duì)主軸承出現(xiàn)的異常情況做出及時(shí)處理，防止此類故障的再次發(fā)生。

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