TBM主軸承大齒圈洞內(nèi)修復(fù)方案及工藝流程

劉宏志

摘 要：隧道掘進(jìn)機(jī)（Tunnel Boring Machine，簡(jiǎn)稱(chēng)TBM）的工作過(guò)程中，主軸承的大齒圈和小齒輪相互嚙合，帶動(dòng)刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行掘進(jìn)。在中天山TB880E的掘進(jìn)過(guò)程中遇到嚴(yán)重?cái)鄬悠扑閹?，小齒輪軸承散架、滾子脫落在齒輪箱內(nèi)、主軸承大齒圈174個(gè)輪齒中損壞7個(gè)。工程過(guò)程中，修復(fù)大齒圈主要采用了分層堆焊與打磨修復(fù)相結(jié)合的方法。文中對(duì)TBM主軸承大齒圈修復(fù)技術(shù)及工藝流程進(jìn)行了介紹，可對(duì)類(lèi)似工程的施工提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：TBM 大齒圈 分層堆焊 打磨修復(fù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）02（c）-0112-02

隧道掘進(jìn)機(jī)（Tunnel Boring Machine，簡(jiǎn)稱(chēng)TBM）多用于長(zhǎng)隧道施工，而主軸承是掘進(jìn)機(jī)的核心部件，它的作用是支承刀盤(pán)，給刀盤(pán)傳遞旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力，主軸承受隧道空間限制很難進(jìn)行更換。如果主軸承損壞失效，隧道掘進(jìn)機(jī)則陷入癱瘓，造成難以承受的后果。其中大齒圈是主軸承的關(guān)鍵部件，如果大齒圈出現(xiàn)故障，發(fā)生嚴(yán)重磨損或崩齒掉齒的現(xiàn)象，則無(wú)法繼續(xù)掘進(jìn)，如何能在洞內(nèi)將掘進(jìn)機(jī)主軸承大齒圈進(jìn)行修復(fù)，是一個(gè)非常有價(jià)值的課題。

1 機(jī)況

中天山特長(zhǎng)隧道右線為南疆線吐庫(kù)段增建二線鐵路第二標(biāo)段（SK2）主體工程，長(zhǎng)22.467 km，為全線控制性工程。其中進(jìn)口工區(qū)采用從德國(guó)wirth公司引進(jìn)的φ8.8 m開(kāi)敞式880E型TBM施工，此臺(tái)TBM已經(jīng)歷過(guò)秦嶺隧道、磨溝嶺隧道施工，進(jìn)場(chǎng)前累計(jì)施工了近10 km。2011年2月14日，中天山隧道TBM掘進(jìn)9011.6 m時(shí)，遇到嚴(yán)重?cái)鄬悠扑閹?，TBM刀盤(pán)扭矩急劇加大，主驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)異響，緊急停機(jī)后經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)小齒輪軸承散架、滾子脫落在齒輪箱內(nèi)、主軸承大齒圈174個(gè)輪齒中損壞7個(gè)（見(jiàn)圖1）。TBM無(wú)法正常掘進(jìn)，需要停機(jī)進(jìn)行修理。從國(guó)內(nèi)外掘進(jìn)機(jī)主軸承發(fā)生故障的案例來(lái)看，世界上還沒(méi)有掘進(jìn)機(jī)主軸承大齒圈齒輪洞內(nèi)修復(fù)的先例，沒(méi)有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可借鑒。

2 修復(fù)方案

對(duì)于主軸承的修復(fù)，由于作業(yè)空間受限的實(shí)際情況，激光熔敷和鑲齒的齒輪修復(fù)方法很難實(shí)現(xiàn)，故現(xiàn)場(chǎng)齒輪修復(fù)只能采用堆焊法。但主軸承的大齒圈和主軸承滾道是一體的，采用的材質(zhì)為42CrMo4，可焊性較差。在焊接過(guò)程中，由于母材金屬中含碳量高，它的一部分要熔化到焊縫金屬中去，使焊層金屬含碳量增高。焊縫凝固結(jié)晶時(shí)，結(jié)晶溫度區(qū)間大，偏析傾向也較大，加之含硫雜質(zhì)和氣孔的影響，容易在焊層金屬中引起熱裂紋，特別是在收尾處，裂紋更為敏感，需采用齒輪預(yù)熱的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，但由于掘進(jìn)機(jī)主軸承大齒圈兩邊都有關(guān)鍵性的橡膠密封，預(yù)熱的方法很難實(shí)現(xiàn)。在該文所述的現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)的焊接工藝過(guò)程中，在不損傷密封以及大齒圈上的齒不容易退火的情況下，最宜選用焊接溫度較低的仿激光焊機(jī)進(jìn)行層層堆焊，然后再進(jìn)行打磨的方法實(shí)施維修。

3 工藝流程

3.1 準(zhǔn)備工作

維修所需工具：一臺(tái)激光焊機(jī)、進(jìn)口焊條、拋光機(jī)、砂輪片、拋光片、探傷劑、棉布等。由于機(jī)器后端小齒輪隔艙孔徑較小，人鉆進(jìn)去不能實(shí)施焊接工作，在咨詢了專(zhuān)家意見(jiàn)后，決定在1#小齒輪隔艙上方開(kāi)一個(gè)430 mm×550 mm的長(zhǎng)方形口以便有足夠的操作空間進(jìn)行維修。開(kāi)口前先要把1#主驅(qū)動(dòng)小齒輪拔出來(lái)，由于要用割槍進(jìn)行割口，必定會(huì)產(chǎn)生鐵渣，在開(kāi)口位置正下方鋪好鐵皮，防止鐵渣損傷密封，開(kāi)口完后一定要清理干凈。

3.2 焊接過(guò)程

首先，把齒表面的鐵屑、油泥清洗干凈，再對(duì)每個(gè)損壞齒進(jìn)行探傷處理，如果探傷有裂紋，就要用切割片進(jìn)行切割直到無(wú)裂紋為止，如果無(wú)裂紋就把損壞齒的表面用砂輪片拋平以便實(shí)施焊接工作。然后，焊接前需把損壞齒周?chē)妹薏挤雷o(hù)到位，密封上面的棉布要用水管一直沖著，防止損傷密封。選用3種進(jìn)口焊材進(jìn)行焊接處理：打底層用焊接性能好、抗拉強(qiáng)度高的焊材，齒芯部采用未經(jīng)熱處理的、硬度與齒芯部接近的焊材，主軸承大齒圈輪齒表面層用硬度和大齒圈齒輪熱處理后硬度接近的焊材，使修復(fù)后的齒性能接近于原來(lái)的齒。焊接過(guò)程要求電流控制在合適的范圍，防止產(chǎn)生氣孔咬邊等現(xiàn)象的發(fā)生，焊接采用層層堆焊的方法，把整個(gè)齒堆焊后開(kāi)始打磨。首先是粗磨，粗磨之后進(jìn)行探傷，如果發(fā)現(xiàn)裂紋，需把裂紋打磨掉重新焊接，如果無(wú)裂紋就進(jìn)行精磨。精磨前需要制作三聯(lián)齒模具，并使用三聯(lián)齒模具來(lái)回比對(duì)直到完全修復(fù)到位。精磨完成后，說(shuō)明選用焊材合適，焊接完成的效果也是比較令人滿意的。

通過(guò)上述方法，當(dāng)把1#～7#齒都修復(fù)完成后，把受力齒面噴上紅色油漆，旋轉(zhuǎn)大齒圈一周觀察大齒圈齒的受力面嚙合情況，如果嚙合度達(dá)不到80%以上需要再精磨，如此反復(fù)直到全部嚙合都達(dá)到80%以上方可滿足要求。當(dāng)確定齒精磨到位后，把1#小齒隔艙上方的蓋板重新焊接好，并對(duì)焊接好的蓋板做一下探傷，一定確保焊縫無(wú)裂紋，防止從焊縫處往主軸承內(nèi)進(jìn)粉塵和水。

3.3 焊后處理

焊接完成后，主軸承內(nèi)部存在好多鐵屑、焊渣、油泥等臟污，需要對(duì)主軸承做全面清洗。首先從小齒每個(gè)隔艙用液壓油往下沖洗，沖洗完成后，往主軸承內(nèi)加液壓油6桶，然后轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)1 h，清洗主軸承。清洗完后，把清洗油放出來(lái)，揭開(kāi)主軸承油箱蓋，把油箱清洗干凈，并密封好。

3.4 恢復(fù)主驅(qū)動(dòng)

把每個(gè)小齒隔艙再進(jìn)行清洗干凈，安裝小齒輪。在裝小齒輪時(shí)一定小心齒和軸承避免損傷，然后依次對(duì)接傳動(dòng)軸，裝主變速箱、聯(lián)軸器、離合器、離合器油缸、馬達(dá)等。把能夠恢復(fù)的7個(gè)主驅(qū)動(dòng)恢復(fù)到位，液壓系統(tǒng)油路確保無(wú)誤，馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向一致。

4 焊修效果

原來(lái)齒面硬度為HRC45～50，焊接完成后，經(jīng)使用硬度儀測(cè)試硬度，焊接修復(fù)好的齒表面硬度也在HRC45～50范圍，與原齒表面硬度相吻合；掘進(jìn)過(guò)程通過(guò)對(duì)掘進(jìn)參數(shù)的控制，穩(wěn)步推進(jìn)。中天山隧道右線TBM在對(duì)主軸承大齒圈焊修后又掘進(jìn)了3 465.1 m，直至掘進(jìn)貫通，后經(jīng)拆機(jī)觀察，焊接過(guò)的大齒圈齒無(wú)裂紋、無(wú)崩齒現(xiàn)象，說(shuō)明這次焊接修復(fù)是成功的，同時(shí)也為同類(lèi)機(jī)械故障提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

該文采用大齒輪修復(fù)過(guò)程中，選取合適的作業(yè)位置，采用合理的焊接工藝和齒形修復(fù)方法，并選用科學(xué)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)驗(yàn)收輪齒的修復(fù)質(zhì)量，節(jié)約了采購(gòu)一個(gè)新主軸承的成本，且不用更換主軸承，能在洞內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)，能使掘進(jìn)機(jī)使用單位在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)掘進(jìn)，比更換主軸承的方法節(jié)約6個(gè)月左右的時(shí)間，在工期和經(jīng)濟(jì)性方面效果明顯，具有重大意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 杜彥良，徐明新.全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)TBM維護(hù)保養(yǎng)與監(jiān)測(cè)診斷[M].華中科技大學(xué)出版社，2013.

[2] 周賽群.全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)（TBM）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究[D].浙江大學(xué)，2008.