盾構(gòu)機(jī)安全軸斷軸故障分析及應(yīng)對(duì)措施

孫源鑫++邱林++齊鵬

摘 要：盾構(gòu)機(jī)安全軸是連接主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)和大齒圈的關(guān)鍵部件，在大扭矩工況條件下可以起到保護(hù)減速機(jī)和大齒圈的作用。在沈陽地鐵10號(hào)線某項(xiàng)目盾構(gòu)機(jī)頻繁出現(xiàn)了安全軸斷軸故障，經(jīng)過分析減速機(jī)連接主驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)件的螺栓緊固情況等因素，總結(jié)出在掘進(jìn)期間維修保養(yǎng)和操作脫困的成功經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：安全軸；螺栓預(yù)緊力；維修保養(yǎng)；脫困

引言

沈陽地鐵十號(hào)線某項(xiàng)目盾構(gòu)機(jī)刀盤主驅(qū)動(dòng)安全軸出現(xiàn)四次斷軸故障，每次故障均對(duì)戴納米克進(jìn)口減速機(jī)造成不同程度的損壞，共更換三臺(tái)減速機(jī)。對(duì)于正在掘進(jìn)施工的盾構(gòu)機(jī)，維修主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)和更換安全軸極其困難，很難保證減速機(jī)裝配精度，增加了機(jī)械故障發(fā)生的概率[1]。因此，在掘進(jìn)期間從維修保養(yǎng)和操作脫困等方面采取積極有效的措施，可大大減少安全軸斷軸故障發(fā)生的頻率。

1 安全軸故障概況

1.1 安全軸斷軸時(shí)的扭矩

按照盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)要求，主驅(qū)動(dòng)額定扭矩為5500kN·m，最大脫困扭矩為6840kN·m。根據(jù)盾構(gòu)機(jī)操作系統(tǒng)保存的數(shù)據(jù)顯示，發(fā)生斷軸時(shí)盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩均未超過理論設(shè)計(jì)的額定扭矩和最大脫困扭矩。

1.2 安全軸未起到安全保護(hù)作用

通過4次故障的損壞情況來看，安全軸都不是正常的損壞，斷開的部位要么靠近減速機(jī)一側(cè)，給減速機(jī)端部造成損壞或減速機(jī)斷軸，要么靠近主軸承一側(cè)，小齒輪和軸承有不同程度損壞。

2 影響安全軸斷軸的主要因素

從刀盤工作扭矩的數(shù)據(jù)看，沒有超過設(shè)計(jì)額定范圍，那么就應(yīng)該考慮其他因素的影響。從減速機(jī)與主驅(qū)動(dòng)處的連接狀況，在多次出現(xiàn)安全軸斷軸事故后，盾構(gòu)機(jī)施工現(xiàn)場(chǎng)連接減速器和刀盤的雙頭螺柱在掘進(jìn)中出現(xiàn)松脫的問題。通過雙頭螺柱模擬件擰緊實(shí)驗(yàn)和減速機(jī)振動(dòng)測(cè)試等手段，來觀察減速機(jī)和主驅(qū)動(dòng)的連接狀況。

2.1 雙頭螺柱模擬件擰緊實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)過程中使用與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致的模擬件作為被連接件，被連接件包含5層用來模擬多級(jí)減速器結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)將2根雙頭螺柱分別反復(fù)擰緊3次，每次扭矩從200Nm遞增到880Nm，記錄扭矩對(duì)應(yīng)的預(yù)緊力大小。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，預(yù)緊力沒有達(dá)到額定預(yù)緊力并且離散性較大，初步分析接合面表面粗糙度、形位公差、潤(rùn)滑條件、內(nèi)外螺紋配合、擰緊次數(shù)、擰緊速度等因素容易影響螺栓的預(yù)緊力。因此，預(yù)緊力不足就直接導(dǎo)致減速機(jī)與主驅(qū)動(dòng)的連接不緊，安全軸容易受到切向載荷影響[2]。

2.2 減速機(jī)振動(dòng)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)人員使用三向加速度傳感器測(cè)試減速機(jī)-電機(jī)總成在掘進(jìn)過程中的振動(dòng)情況。加速度的測(cè)試位置分別為電機(jī)外殼、一級(jí)減速器外殼、刀盤背面。掘進(jìn)參數(shù)如下：總推力18000kN、刀盤扭矩3800kNm、刀盤轉(zhuǎn)速1.5rpm、掘進(jìn)速度40mm/min。

通過觀察不同位置的三向加速度信號(hào)，電機(jī)的三個(gè)方向加速度基本一致，變化范圍為2g到-2g之間。一級(jí)減速器三方向加速度有了較為明顯的差異，x方向（切向）加速度變化范圍為1g到2g之間，z方向（切向）加速度變化范圍為-0.5g到-1.5g之間。刀盤三方向加速度區(qū)別較大，x方向（切向）加速度變化范圍為1g到2g之間，y方向（切向）加速度變化范圍為0.5g到1g之間。

從電機(jī)到刀盤，軸向振動(dòng)和切向振動(dòng)幅度逐漸減小，但減速機(jī)附近的切向振動(dòng)始終較大，使螺柱接合面產(chǎn)生滑移從而導(dǎo)致松脫。

測(cè)試結(jié)果表明：掘進(jìn)時(shí)電機(jī)是減速機(jī)振動(dòng)的重要來源，其切向振動(dòng)是導(dǎo)致松脫的主要原因[3]。

3 施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)對(duì)措施

3.1 掘進(jìn)施工的參數(shù)優(yōu)化

由于沈陽地層主要為中粗砂、圓礫及粉質(zhì)粘土，在長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)時(shí)為防止地面沉降需用渣土來保持土倉壓力，而再次掘進(jìn)時(shí)由于土倉壓力較高，導(dǎo)致刀盤扭矩過大。而盾構(gòu)機(jī)操作手不能有效的控制土倉壓力或?qū)υ敛荒苡行У母牧紝?dǎo)致扭矩過大而多次旋轉(zhuǎn)刀盤，這樣會(huì)對(duì)安全軸造成損害。

針對(duì)大扭矩的影響，首先解決好盾構(gòu)正常掘進(jìn)的參數(shù)問題，從操作控制和渣土管理方面治理大扭矩問題。其次，通過系統(tǒng)程序修改，限制已使用的盾構(gòu)機(jī)的最大刀盤工作扭矩，下調(diào)至4300kN·m，同時(shí)禁止盾構(gòu)機(jī)使用脫困模式。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急維修

安全軸出現(xiàn)故障后，首先通過電機(jī)電流數(shù)據(jù)，確定哪一個(gè)電機(jī)沒有扭矩輸出，安全軸是否斷開，避免出現(xiàn)故障后繼續(xù)掘的進(jìn)情況。

在組織搶修過程中，要嚴(yán)格按裝配要求進(jìn)行維修，關(guān)鍵步驟有：放出主驅(qū)動(dòng)680齒輪油、拆解電機(jī)、拆解減速機(jī)、取出斷在里面的安全軸、安裝新的安全軸、裝配減速機(jī)、裝配電機(jī)、螺栓擰緊、扭矩測(cè)試、重新注油。

3.3 日常維修保養(yǎng)方面的預(yù)防措施

經(jīng)過分析相鄰兩次故障的間隔時(shí)間，發(fā)現(xiàn)在最短間隔時(shí)間不超過100環(huán)，因此根據(jù)設(shè)備狀態(tài)和生產(chǎn)需要，在日常維修保養(yǎng)工作中建立螺栓擰緊檢查計(jì)劃。要求以30環(huán)為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，對(duì)減速機(jī)雙頭螺柱用扭矩扳手（900kNm）進(jìn)行復(fù)緊，并將結(jié)果記錄在工作檔案中。

4 脫困過程中注意事項(xiàng)

在施工過程中，由于停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)，而且停機(jī)過程中土倉內(nèi)壓力普遍較高，再次掘進(jìn)時(shí)，刀盤無法啟動(dòng)，這時(shí)可采取如下辦法使刀盤脫困[4]。

（1）由于土倉內(nèi)壓力較高，所以需要先進(jìn)行排土，將土倉內(nèi)壓力降低。（2）啟動(dòng)刀盤，將刀盤轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)到正轉(zhuǎn)0.1r/min，如果扭矩漲到額定扭矩的

60%（約4000kNm），刀盤仍無法啟動(dòng)，這時(shí)應(yīng)停止啟動(dòng)，等待扭矩降為0。再將刀盤轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)到反轉(zhuǎn)0.1r/min，如果扭矩漲到額定扭矩的60%（4000kNm），刀盤仍無法啟動(dòng)，則停止啟動(dòng)。根據(jù)實(shí)際推進(jìn)的扭矩及沈陽地層（中粗砂，粉質(zhì)粘土）情況，4000kNm扭矩就足以驅(qū)動(dòng)刀盤，如果無法啟動(dòng)，也不要在嘗試更高的扭矩，意義不大。（3）將推進(jìn)油缸收回，收回根數(shù)根據(jù)實(shí)際情況確定（間隔式回收），目的是減小刀盤掌子面推力。再按上述啟動(dòng)刀盤過程進(jìn)行嘗試。（4）可通過泡沫噴射口，向刀盤前注入空氣，減小刀盤掌子面推力，配合回收推進(jìn)油缸。（5）刀盤長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，再次啟動(dòng)時(shí)。切忌刀盤向同一方向連續(xù)多次大扭矩啟動(dòng)。（6）刀盤脫困有轉(zhuǎn)數(shù)后，扭矩仍會(huì)較大，這時(shí)需要刀盤在旋轉(zhuǎn)2-3分鐘并向刀盤前及土倉內(nèi)注入膨潤(rùn)土對(duì)降低刀盤扭矩有顯著效果。

5 結(jié)論

通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)減速機(jī)雙頭螺柱的維護(hù)和合理的操作控制，可以有效地解決主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在的問題，為采用類似設(shè)計(jì)形式的盾構(gòu)機(jī)提供了經(jīng)驗(yàn)參考，但是為了徹底解決此類故障帶來的影響，建議從主驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上做出調(diào)整，例如縮短減速機(jī)與主驅(qū)動(dòng)的連接長(zhǎng)度，將法蘭環(huán)焊接在主驅(qū)動(dòng)上，并在法蘭環(huán)上加工螺紋孔用來把合減速機(jī)，也可以采用過載保護(hù)限制器的設(shè)計(jì)形式。

參考文獻(xiàn)

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