大直徑泥水盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)環(huán)件再制造案例分析

馬龍飛

（中鐵隧道局集團(tuán)有限公司設(shè)備分公司，廣州 511458）

0 引言

伴隨著我國(guó)地下空間開發(fā)利用步伐的不斷加快，盾構(gòu)施工作為隧道、地鐵、城市管線、越江和跨海等基礎(chǔ)建設(shè)的一種主要方法，在城市地下空間開發(fā)利用中得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)全國(guó)各主要城市軌道交通建設(shè)全面鋪開，隨著軌道交通事業(yè)的發(fā)展，除中鐵、中鐵建外，中交、中水電等大型央企以及部分地方施工單位也相繼加入了城市軌道交通的建設(shè)中。由于施工單位較多，目前國(guó)內(nèi)?6 m級(jí)盾構(gòu)機(jī)保有量趨于飽和。隨著城際鐵路、穿江越海工程的不斷增多，國(guó)內(nèi)盾構(gòu)機(jī)需求且呈現(xiàn)大直徑、高水壓、長(zhǎng)距離掘進(jìn)趨勢(shì)，相應(yīng)的?10 m級(jí)以上大直徑盾構(gòu)機(jī)的使用也隨之增多。由于國(guó)內(nèi)自主建造盾構(gòu)機(jī)的時(shí)間較短、大直徑盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)相對(duì)薄弱，目前各施工單位保有的大直徑盾構(gòu)機(jī)多以NFM（法馬通）、Herrenknecht（海瑞克）、Robbins（羅賓斯）等國(guó)外品牌為主。而主驅(qū)動(dòng)作為大直徑盾構(gòu)機(jī)的核心系統(tǒng)，其拆檢、維修多委托原生產(chǎn)廠家進(jìn)行，修復(fù)周期長(zhǎng)、價(jià)格貴，本文通過(guò)?11.97 m的NFM泥水盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)的拆解、再制造研究，為施工單位自行修復(fù)大直徑盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供了一種更加經(jīng)濟(jì)、高效的解決方案以及參考標(biāo)準(zhǔn)。

1 盾構(gòu)機(jī)使用概況

該NFM泥水平衡盾構(gòu)機(jī)于2007年出廠，開挖直徑11.97 m，用于北京鐵路地下直徑線工程某標(biāo)段，隧道主要穿越的地層為：圓礫、卵石土層，向西卵石粒徑逐漸加大。設(shè)備于2008年8月始發(fā)掘進(jìn)，累計(jì)掘進(jìn)距離為5 162 m，于2013年7月全線貫通。貫通后設(shè)備存放了四年有余，因?qū)⑼度胫琳憬晨绾Ｋ淼理?xiàng)目進(jìn)行施工，需對(duì)設(shè)備整機(jī)進(jìn)行再制造。

2 盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)介紹

主驅(qū)動(dòng)是盾構(gòu)機(jī)的核心部件[1]，具有價(jià)值高、技術(shù)復(fù)雜及地址適應(yīng)性要求高等特點(diǎn)[2]，其運(yùn)轉(zhuǎn)的好壞、使用壽命長(zhǎng)短、可靠性等直接影響到整個(gè)盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)行及施工安全；因地下施工條件限制，在使用過(guò)程中主驅(qū)動(dòng)故障具有不可拆解、不可修復(fù)的特性，故其可靠性顯得尤為重要[3]。

2.1 主驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

NFM泥水盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，零部件共約370余種，其主要結(jié)構(gòu)部件如圖1所示。主驅(qū)動(dòng)的主要功能為：電機(jī)提供動(dòng)力，由減速機(jī)降速，通過(guò)保險(xiǎn)軸及輸出齒輪傳遞扭矩至主軸承，再由主軸承帶動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)。因泥水盾構(gòu)機(jī)施工條件及驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等原因，主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的油脂環(huán)、外殼體、密封跑道環(huán)等環(huán)件極易磨損，在進(jìn)行大修或再制造時(shí)均需要進(jìn)行更換。

圖1 主驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 主要環(huán)件功能介紹

（1）驅(qū)動(dòng)殼體。主要作用為保護(hù)主驅(qū)動(dòng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使內(nèi)部主軸承等部件與外部結(jié)構(gòu)及環(huán)境隔離，并起到一定的密封作用。

（2）外密封迷宮環(huán)。作為潤(rùn)滑油脂以及密封油脂的通道載體，且頂部鋸齒狀結(jié)構(gòu)與刀盤法蘭配合形成迷宮密封結(jié)構(gòu)，通過(guò)油脂外溢阻止渣土進(jìn)入內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

（3）外密封壓環(huán)。對(duì)主驅(qū)動(dòng)外密封及隔環(huán)起到固定及定位作用。

（4）外密封跑道。與外密封配合形成密封結(jié)構(gòu)，并通過(guò)油脂的注入防止外部渣土進(jìn)入主軸承結(jié)構(gòu)[4]。

（5）內(nèi)密封跑道。與內(nèi)密封配合形成密封結(jié)構(gòu)，并通過(guò)油脂的注入防止外部渣土進(jìn)入齒輪箱。

3 環(huán)件磨損情況說(shuō)明

3.1 驅(qū)動(dòng)殼體

主驅(qū)動(dòng)大殼體前端面由于與泥水倉(cāng)存在接觸，長(zhǎng)期使用造成其存在一定程度不規(guī)則磨損，如圖2所示。如果磨損程度繼續(xù)加大，會(huì)使大直徑顆粒進(jìn)入外密封迷宮環(huán)處，造成迷宮環(huán)的磨損加劇，影響主驅(qū)動(dòng)整體密封性能。

圖2 驅(qū)動(dòng)殼體磨損位置示意圖

3.2 外密封迷宮環(huán)

當(dāng)密封油脂注入不足或驅(qū)動(dòng)殼體異常磨損時(shí)，部分渣土進(jìn)入迷宮環(huán)與刀盤法蘭所形成的迷宮結(jié)構(gòu)，且刀盤法蘭與迷宮環(huán)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)（迷宮環(huán)固定，刀盤法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)），故密封環(huán)在使用過(guò)程中會(huì)存在較大的磨損。與圖紙?jiān)O(shè)計(jì)尺寸比對(duì)，該環(huán)件端面凸臺(tái)磨損量已達(dá)15 mm（原始狀態(tài)高25 mm，目前狀態(tài)高度約為10 mm），前端面注脂孔也由于磨損導(dǎo)致孔口局部變形嚴(yán)重，如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)殼體磨損位置示意圖

3.3 外密封壓環(huán)

外密封壓環(huán)的磨損原理與迷宮環(huán)類似，掘進(jìn)時(shí)部分渣土進(jìn)入迷宮結(jié)構(gòu)內(nèi)部且深入至壓環(huán)處，且刀盤法蘭與壓環(huán)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。經(jīng)檢測(cè)主軸承外密封壓環(huán)磨損及銹蝕嚴(yán)重，外徑已嚴(yán)重失圓，已無(wú)法判斷其原始狀態(tài)，對(duì)比實(shí)際狀態(tài)與圖紙可見(jiàn)，該外密封壓環(huán)厚度已磨損近一半（原始設(shè)計(jì)尺寸厚度為53 mm），且內(nèi)徑臺(tái)階及沉孔已幾乎磨平，如圖4所示。

圖4 外密封壓環(huán)磨損位置示意圖

3.4 外密封跑道

為了避免外部雜物進(jìn)入主驅(qū)動(dòng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)機(jī)普遍采用唇形密封與密封跑道相配合的結(jié)構(gòu)[5]；唇形密封與跑道環(huán)形成過(guò)盈配合，使用過(guò)程中密封跑道與刀盤一同轉(zhuǎn)動(dòng)，密封會(huì)在跑道接觸面形成磨痕。如圖5和表1所示。盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行維修或再制造時(shí)，需對(duì)劃槽深度進(jìn)行檢測(cè)、修復(fù)，或整體更換密封跑道。

圖5 外密封跑道磨損位置示意圖

表1 外密封跑道磨損測(cè)量數(shù)據(jù)

3.5 內(nèi)密封跑道

內(nèi)密封跑道工作原理與內(nèi)密封跑道工作原理相同：為了避免外部雜物進(jìn)入主驅(qū)動(dòng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，唇形密封與跑道環(huán)行程過(guò)盈配合，使用過(guò)程中密封會(huì)在跑道接觸面形成磨損槽。如圖6和表2所示。

圖6 外密封跑道磨損位置示意圖

表2 外密封跑道磨損測(cè)量數(shù)據(jù)

4 環(huán)件再制造

4.1 主驅(qū)動(dòng)殼體

由圖7可以看出，主驅(qū)動(dòng)殼體與刀盤法蘭的3個(gè)相對(duì)面的間距分別為30 mm、4 mm、6 mm，配合間隙相對(duì)較大。殼體環(huán)徑達(dá)到4 940 mm，焊接修復(fù)后采用機(jī)加工的成本較高，而磨損面為非工作面，精度要求對(duì)其使用沒(méi)有影響，故此次修復(fù)采用焊接、人工打磨修復(fù)的方式進(jìn)行。因該3個(gè)面為非工作面且接觸土體，尺寸誤差可控制在±1.5 mm以內(nèi)，表面粗糙度不做要求，達(dá)到平滑無(wú)毛刺即可。焊接保持約1～2 mm的富余量，焊接過(guò)程中通過(guò)不間斷的測(cè)量保證焊接尺寸。焊接完成后通過(guò)人工打磨恢復(fù)尺寸，打磨過(guò)程中同樣通過(guò)不間斷的尺寸測(cè)量控制外形尺寸即可。

圖7 主驅(qū)動(dòng)殼體與刀盤法蘭間隙

4.2 外密封迷宮環(huán)

因外密封迷宮環(huán)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，加工難度相對(duì)較大（外密封油道環(huán)環(huán)體內(nèi)部孔道分布較多），新制周期長(zhǎng)，成本較高，考慮到該外密封迷宮環(huán)前端面與刀盤法蘭面之間為運(yùn)動(dòng)副，并形成一定間隙的HBW油脂迷宮環(huán)腔，對(duì)尺寸精度要求較高，故采用“氬弧焊堆焊-修磨”工藝進(jìn)行外密封油道環(huán)前端面磨損進(jìn)行補(bǔ)焊、再機(jī)加工恢復(fù)原有尺寸的方案。堆焊中最常碰到的問(wèn)題是焊接開裂，使用電加熱方法可以有效避免因快速冷卻產(chǎn)生的冷裂紋；一般堆焊缺點(diǎn)是熱應(yīng)力集中，熱影響區(qū)大，使用氬弧焊堆焊工藝和電加熱方法可以有效避免堆焊產(chǎn)生的熱應(yīng)力問(wèn)題。主要工藝流程如下：

（1）對(duì)外密封迷宮環(huán)磨損前端面進(jìn)行清洗、除油、去污、除銹，做到表面無(wú)油污、殘?jiān)?、雜質(zhì)，并露出金屬光澤；

（2）用焊炬對(duì)迷宮環(huán)前端面進(jìn)行烘干；

（3）選用相同材質(zhì)的焊材，對(duì)外密封迷宮環(huán)前端面齒型結(jié)構(gòu)溝槽進(jìn)行堆焊，焊層厚度一般為2～3 mm，較深的缺陷可堆焊多層，并預(yù)留加工余量；

（4）焊接完成后需要用電加熱片和溫控箱來(lái)進(jìn)行保溫，保溫時(shí)間不低于4 h；

（5）堆焊修復(fù)完成后在機(jī)床上進(jìn)行粗-精車，直至達(dá)到圖紙?jiān)O(shè)計(jì)尺寸要求。

（6）修復(fù)部位著色探傷無(wú)裂紋，達(dá)到II類焊縫驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 外密封壓環(huán)

考慮到其磨損量及變形量過(guò)大，且本身結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單易，機(jī)加工量小成本低，故不再建議對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，而是進(jìn)行新制。

4.4 外密封跑道

外密封跑道雖結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但因其材質(zhì)、加工及熱處理工藝的要求較高，故其新制成本高。本次修復(fù)采用目前較為成熟的“氬弧焊堆焊-修磨”工藝進(jìn)行修復(fù)[6]。主要工藝流程如下：

（1）清除疲勞層，直至疲勞層全部被打掉；

（2）使用電加熱片和溫控箱進(jìn)行加溫處理，溫度控制在160～250 ℃；

（3）選用42CrMo+107Cr定制焊材，用氬弧焊進(jìn)行堆焊；

（4）采用加熱及外部敲擊的方式消除應(yīng)力；

（5）焊接完成后用電加熱片和溫控箱來(lái)進(jìn)行保溫，保溫時(shí)間不低于8 h；

（6）對(duì)堆焊修復(fù)部位進(jìn)行粗磨；

（7）粗磨后著色探傷，無(wú)氣孔無(wú)裂紋后進(jìn)行半精磨；

（8）半精磨后使用研磨方式進(jìn)行精磨；

（9）修復(fù)面要光滑平整，無(wú)砂眼，無(wú)啃邊，無(wú)虛焊，無(wú)凸凹感，與原密封跑道外徑誤差不大于0.1 mm；

（10）修復(fù)部位著色探傷無(wú)裂紋、表面硬度檢測(cè)為HRC50～55。

4.5 外密封跑道

因內(nèi)密封跑道僅第一道磨痕較深，其他4道磨痕較為輕微，建議僅對(duì)內(nèi)密封跑道的第一道磨損帶采用“氬弧焊堆焊-修磨”工藝進(jìn)行修復(fù)，工藝流程同上，其余4道僅采取輕微打磨除銹措施即可。

5 再制造后狀態(tài)

該主驅(qū)動(dòng)各環(huán)件經(jīng)再制造后各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均有了大幅度的提升，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。目前主驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)已在工廠順利組裝，并完成了長(zhǎng)時(shí)間的空載調(diào)試及運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)油液檢測(cè)[7]、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[8]對(duì)震動(dòng)和噪音等的檢測(cè)，以及主驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流、扭矩，EP2、HBW油脂注入壓力等參數(shù)的分析，認(rèn)為該主驅(qū)動(dòng)各環(huán)檢修復(fù)后性能可靠，完全滿足使用要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

在目前國(guó)家大力倡導(dǎo)建設(shè)節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的主旋律下，開展盾構(gòu)機(jī)及其部件再制造是盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)業(yè)綠色化轉(zhuǎn)型升級(jí)的必然選擇；其中主驅(qū)動(dòng)作為盾構(gòu)機(jī)核心系統(tǒng)，一般在出現(xiàn)故障或盾構(gòu)機(jī)達(dá)到使用年限后便報(bào)廢處理，造成較大的資源浪費(fèi)。目前盾構(gòu)機(jī)各系統(tǒng)再制造暫無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可循，本文通過(guò)大直徑泥水盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)環(huán)件再制造的案例分析，給出了一種具備可操作性的大直徑盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)易損環(huán)件的修復(fù)方案，通過(guò)該方案的實(shí)施，可以有效地提高盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)的使用壽面，降低設(shè)備使用成本，縮短采購(gòu)、制造周期。