TBM主軸承外密封擋圈故障診斷及洞內(nèi)修復(fù)技術(shù)

趙大鵬，張守偉，馬長復(fù)

（1.遼寧省水利廳，遼寧沈陽110003；2.遼寧省葠窩水庫管理局遼寧遼陽111000）

?

TBM主軸承外密封擋圈故障診斷及洞內(nèi)修復(fù)技術(shù)

趙大鵬1，張守偉1，馬長復(fù)2

（1.遼寧省水利廳，遼寧沈陽110003；2.遼寧省葠窩水庫管理局遼寧遼陽111000）

摘要：文章分析了敞開式TBM施工過程中主軸承外密封擋圈突然斷裂脫落的嚴(yán)重事故原因及其洞內(nèi)修復(fù)技術(shù)。對故障的診斷方法、根據(jù)現(xiàn)場條件制定的修復(fù)技術(shù)及該部位的預(yù)防措施進(jìn)行了分析與說明，希望能夠為類似TBM機(jī)型的使用管理提供可借鑒的經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：擋圈；主軸承外密封；分段焊接

0 引言

遼寧某重點水利工程一段四標(biāo)采用了兩臺羅賓斯公司敞開式TBM掘進(jìn)，兩臺設(shè)備編號分別為TBM3、TBM4，開挖直徑8.53m，其中TBM3開挖總長15340m，第一掘進(jìn)段8833m，第二掘進(jìn)段6507m。2015年7月31日凌晨03：11，在第二掘進(jìn)段掘進(jìn)了370m時，發(fā)現(xiàn)機(jī)頭架處存在異響，隨即停機(jī)檢查。檢查發(fā)現(xiàn)機(jī)頭架左上部隔塵板損壞，主軸承外密封擋圈從中穿出。

1 事故排查與原因分析

1.1 事故排查

事故發(fā)生后，施工人員立即割除機(jī)頭架兩側(cè)隔塵板以拆除擋圈，技術(shù)人員進(jìn)入刀盤后方分別檢查了主軸承外密封及其壓環(huán)、主軸承潤滑油脂質(zhì)量并對主軸承腔內(nèi)進(jìn)行了打壓試驗。檢查結(jié)果認(rèn)為主軸承外密封及其壓環(huán)無損壞痕跡，油樣分析未發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)，綜合判斷主軸承外密封及密封壓環(huán)無損傷。

在將擋圈分段切割運出洞外后施工人員對擋圈進(jìn)行了詳細(xì)的檢查。擋圈斷口共3處，其中2處為擋圈吊裝孔位置、另一處為把合螺栓安裝孔位置。斷口截面顯示一處吊裝孔內(nèi)外側(cè)均為脆性斷裂；另一處吊裝孔外側(cè)為脆性斷裂、內(nèi)側(cè)母材因受外力強(qiáng)制拉伸導(dǎo)致斷裂；合螺栓孔處因內(nèi)側(cè)薄弱，內(nèi)側(cè)母材出現(xiàn)脆性斷裂，外側(cè)母材受外力強(qiáng)制拉伸導(dǎo)致斷裂。初步判斷第一處吊裝孔位置是由于脆性變形而最先發(fā)生斷裂，并導(dǎo)致其余2處先后發(fā)生斷裂。擋圈共計30個螺絲孔，其中18個螺栓孔螺紋完好，7個螺栓孔螺桿斷裂在螺栓孔內(nèi)的，另有5個螺栓孔螺桿斷裂脫落。

1.2 事故原因分析

（1）由于本機(jī)型設(shè)計缺陷造成施工人員日常維護(hù)過程中受空間局限性因素影響無法對外密封擋圈和壓環(huán)螺栓進(jìn)行檢查，只能每月定期從底支撐下側(cè)的“U形孔”進(jìn)入機(jī)頭架前方觀察擋圈局部是否發(fā)生移位和螺栓松動、損壞，無法全面準(zhǔn)確判斷該部位是否運轉(zhuǎn)正常。加之設(shè)備掘進(jìn)過程中刀盤、機(jī)頭架部分振動較大，擋圈與轉(zhuǎn)接座連接螺栓松動或斷裂后脫落，擋圈局部松動、振動加大，最終導(dǎo)致自身薄弱位置出現(xiàn)疲勞斷裂。由于無法及時發(fā)現(xiàn)擋圈斷裂，在擋圈隨刀盤旋轉(zhuǎn)過程中擋圈斷裂缺口處一旦與某異物接觸、卡住即在主驅(qū)動強(qiáng)大的扭矩下變形、斷裂。

（2）在制造過程中擋圈為分段下料并焊接為一個正圓后進(jìn)行車削、鉆孔等機(jī)加工工序，該擋圈吊耳孔處材質(zhì)與周邊材質(zhì)存在區(qū)別，可能由于吊耳孔正好處于兩段擋圈焊縫位置，且焊接過程中焊縫未熔透或后期熱處理未能較好的釋放焊接熱應(yīng)力，隨著擋圈振動而應(yīng)力釋放導(dǎo)致螺栓孔處突然斷裂。在擋圈隨刀盤旋轉(zhuǎn)過程中擋圈斷裂缺口處一旦與某異物接觸、卡住即在主驅(qū)動強(qiáng)大的扭矩下變形、斷裂。

1.3 現(xiàn)場情況

首先，由于掌子面后部約20m范圍內(nèi)地質(zhì)條件較差，均為Ⅳ類圍巖，支護(hù)方式為支設(shè)全環(huán)鋼拱架并配合鋼筋排支護(hù)，現(xiàn)場不具備安全固定刀盤條件，且刀盤固定后施工人員更換擋圈作業(yè)過程中安全風(fēng)險極大。其次，羅賓斯備件庫刀盤連接螺栓儲備數(shù)量不足，刀盤拆卸后無足夠數(shù)量的新螺栓可供更換。而且，擋圈加工后整體運輸，需長距離開挖導(dǎo)洞，工期過長，嚴(yán)重影響整體的工程進(jìn)度。轉(zhuǎn)接座設(shè)計共30個螺栓孔與擋圈裝配把合，此次事故導(dǎo)致12個螺孔損壞，新加工的擋圈不再適合采用螺栓連接的安裝方式。

2 事故處理方案

為徹底解決TBM3外密封擋圈斷裂問題，盡快恢復(fù)設(shè)備掘進(jìn)并確保剩余約6km隧洞開挖的順利完成，必須根據(jù)現(xiàn)場情況制定切實可行的處理方案。處理方案主要有3種方法：拆卸刀盤法、切割刀盤分段焊接安裝法、切割防塵板分段焊接安裝法。

2.1 拆卸刀盤法

拆卸刀盤并將其固定于掌子面上，拆除刀盤雙頭螺柱，后退TBM以留出足夠作業(yè)空間。取出轉(zhuǎn)接座螺栓孔內(nèi)已經(jīng)斷掉的螺栓，并對已損壞螺栓孔絲扣進(jìn)行處理。長距離開挖導(dǎo)洞以便將新?lián)跞\至機(jī)頭架處，然后安裝新的擋圈，再將設(shè)備復(fù)原。

2.2 切割刀盤分段焊接安裝法

在不拆卸刀盤的情況下，根據(jù)擋圈半徑選擇在刀盤背板半徑5.3m處每隔45°人工切割邊長為500mm的方孔，將加工好的新?lián)跞η懈畛?段由機(jī)頭架防塵板處運至安裝位置后使用千斤頂使其與轉(zhuǎn)接座緊密結(jié)合，在刀盤與擋圈之間每隔30°～45°焊接安裝1根鋼支撐，然后在擋圈內(nèi)圈與轉(zhuǎn)接座通過角焊縫焊接，最后將分段擋圈焊接成整圓。焊接過程中焊接人員可通過刀盤背部割開的方孔進(jìn)行焊接施工。

2.3 切割防塵板分段焊接安裝法

將加工好的新?lián)跞η懈畛?段，由機(jī)頭架防塵板處運至安裝位置，將設(shè)計螺栓切掉尾部后，擰緊在原螺栓孔上，將其焊接于轉(zhuǎn)接座上進(jìn)行栽絲固定。分段安裝擋圈，使用千斤頂使其與轉(zhuǎn)接座緊密結(jié)合，將螺栓與擋圈上螺栓孔封焊固定，然后在擋圈內(nèi)圈與轉(zhuǎn)接座通過角焊縫焊接，在刀盤與擋圈之間每隔30°～45°焊接安裝1根鋼支撐，然后在擋圈內(nèi)圈與轉(zhuǎn)接座通過角焊縫焊接，18個螺紋完好的螺栓孔仍使用螺栓固定；7個螺桿斷裂在螺栓孔內(nèi)的，根據(jù)斷裂螺桿長度安裝長度適合的螺栓，并在螺帽處焊接固定；5個螺桿斷裂在螺栓孔外的，將螺桿打磨平，采用塞焊的方式固定。最后將分段擋圈焊接成整圓。焊接過程中焊接人員可通過防塵板處割開方孔進(jìn)行施工。

2.4 優(yōu)缺點的對比分析

2.4.1 優(yōu)點

（1）方案一：整體安裝方案

外密封擋圈整體性好，易保證設(shè)計間隙。作業(yè)空間大，便于安拆外密封擋圈及第一道密封，質(zhì)量易保證。容易取出所有斷裂的螺栓并與設(shè)計一致。

（2）方案二：防塵板開孔后分段安裝方案

采用分段安裝方案，無需固定刀盤及開挖導(dǎo)洞，施工工程量小、周期短、造價低。

（3）方案三：刀盤開孔后分段安裝方案

采用分段安裝方案，不需要固定刀盤，不需要開挖導(dǎo)洞，工程量小、周期短、造價低。刀盤背部開孔后作業(yè)空間增加，擋圈定位及焊接質(zhì)量均可控制。

2.4.2 缺點

（1）方案一：整體安裝方案

需要將刀盤與機(jī)頭架脫離，對掌子面巖石穩(wěn)定性要求較高。需要85套刀盤雙頭螺柱，供貨周期3個月。為了擋圈整體運輸，需要長距離開挖導(dǎo)洞，工程量大。方案所需修復(fù)工期長，影響工程進(jìn)度。方案造價高，雙頭螺栓需約100萬元，開挖導(dǎo)洞需約150萬元。

（2）方案二：防塵板開孔后分段安裝方案

由于安裝空間狹小，安裝質(zhì)量難以控制。采用分段安裝，在機(jī)頭震動大的環(huán)境下可靠性有待檢驗。

（3）方案三：刀盤開孔后分段安裝方案

由于刀盤背部鋼板被割開，施工后重新焊接，改變了刀盤應(yīng)力分布，對后期掘進(jìn)過程中刀盤壽命造成一定影響。采用分段安裝，在機(jī)頭震動大的環(huán)境下可靠性有待檢驗。

綜合現(xiàn)場情況，根據(jù)該工程特點，選擇采用方案二，即防塵板開孔后分段安裝方案。

3 處理方案的實施

3.1 重點難點

由于該方案在未拆卸刀盤情況下既進(jìn)行了擋圈的焊接更換，施工過程中存在諸多不便，其重點難點如下：

（1）嚴(yán)格控制焊接變形，防止外密封壓環(huán)和擋圈間的出水、出油縫隙消失；

（2）嚴(yán)格控制焊接溫度，防止焊接時的高溫?fù)p傷外密封；

（3）焊接電流有燒傷主軸承接合面的可能；（4）無法徹底的檢查外密封情況。

3.2 應(yīng)對措施

（1）將擋圈外圈加工為錐面補(bǔ)償焊接變形，焊接完成后再用塞尺檢查縫隙大??；

（2）采取小電流焊接，先段焊既每段長3～5cm、間隔3～5cm，最后逐一填補(bǔ)間隔的方法控制焊接時間。經(jīng)試驗證明，焊接處周圍溫度不超過45℃；

（3）采取就近搭接地線，防止電流經(jīng)過主軸承；

（4）在現(xiàn)有條件下已通過油樣化驗、主軸承打壓試驗、目測觀察等方法對密封進(jìn)行了全面的檢查，結(jié)論為外密封密封并未污染及破損；

（5）焊接前及焊接過程中施工人員需多次測量擋圈與壓環(huán)之間的間隙，確認(rèn)符合設(shè)計間隙要求后方可繼續(xù)實施焊接；

（6）在完成擋圈全部焊接、安裝工作后，需在機(jī)頭架上方防塵板10點～11點方向制作了一個可開閉的觀察孔，以便在后續(xù)掘進(jìn)后可定期對擋圈進(jìn)行檢查。

4 結(jié)語

上述外密封擋圈修復(fù)方案相比其他方案而言為項目節(jié)省了上百萬元的費用支出，極大的縮短了設(shè)備修復(fù)周期。設(shè)備修復(fù)完成后目前已掘進(jìn)1475m，目前外密封及其擋圈工作狀態(tài)良好。

參考文獻(xiàn)

［1］韓亞麗.TBM狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷［J］.建筑機(jī)械，2003（09）：30-34+37.

［2］王滿增，徐明新.TBM故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)［J］.建筑機(jī)械，2003（11）：65-67+69.

［3］王雁軍.TBM主軸承故障成因分析及維保技術(shù)［J］.國防交通工程與技術(shù)，2011（02）：46-49.

［4］夏長林.TBM主軸承早期故障聲發(fā)射信號診斷與研究［D］.石家莊鐵道大學(xué)，2013.

［5］王躍峰，王立選，邵月順.深埋特長隧洞TBM施工初探［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2005（04）：42-45.

［6］賀紅效.TBM長隧洞施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵技術(shù)［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2008（01）：10-11+19.

［7］蔡文華，劉長喜.引洮總干渠9～#隧洞TBM設(shè)備施工應(yīng)用及技術(shù)探討［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2012（02）：61-64.

［8］梁承喜.TBM法在山西引黃入晉工程中的應(yīng)用［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2002（04）：38-39+44.

中圖分類號：U455.3+1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1008-1305（2016）02-0105-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-1305.2016.02.042

收稿日期：2016-02-18

作者簡介：趙大鵬（1988年—），男，助理工程師。