盾構(gòu)主驅(qū)動密封形式的對比與分析

(無錫中鐵城軌裝備制造有限公司，江蘇 無錫 214000)

城市地下空間的發(fā)展促進(jìn)了隧道施工設(shè)備地發(fā)展，盾構(gòu)應(yīng)用越來越廣泛。盾構(gòu)主驅(qū)動密封是保障驅(qū)動性能的關(guān)鍵因素之一，它的主要作用是防止隧道內(nèi)沙土、地下水、改良添加劑等進(jìn)入主驅(qū)動箱體內(nèi)，保護(hù)驅(qū)動箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)不被污染或破壞。不同結(jié)構(gòu)形式的密封以及不同材質(zhì)的密封直接影響密封的使用性能及使用壽命，從而影響盾構(gòu)主驅(qū)動的使用壽命，也對隧道工程的掘進(jìn)效率、經(jīng)濟(jì)性能及安全性能等產(chǎn)生較大的影響[1]。

1 盾構(gòu)主驅(qū)動密封形式及分類

盾構(gòu)主驅(qū)動密封的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足在使用壽命范圍內(nèi)保證密封唇口有良好的貼合性、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)的動態(tài)密封性能以及較少的發(fā)熱和磨損。如圖1所示，密封的形式按截面形式可分為單唇口型（唇形密封）和多唇口型（指型密封）。按材質(zhì)的不同可分為夾布橡膠密封、聚氨酯密封和丁腈橡膠密封。按在盾構(gòu)上安裝的位置又可以分為內(nèi)密封（在驅(qū)動環(huán)內(nèi)圈使用）及外密封（在驅(qū)動環(huán)外圈使用）[2]。

圖1 指型密封與唇形密封實(shí)物及截面圖

2 盾構(gòu)主驅(qū)動密封原理及對比分析

密封原理形式一般為壓力控制方式及流量控制方式兩種，不同形式或不同材質(zhì)的密封產(chǎn)生的作用和效果也不同。采用壓力控制式密封，對密封油脂的消耗量較少一些，但由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的限制，實(shí)際工況中的壓力難以檢測，風(fēng)險(xiǎn)較大，一般需要在試驗(yàn)臺上試驗(yàn)較多次數(shù)。流量控制方式對油脂的消耗相對大一些，但是安全性能卻更高一些。實(shí)際使用工況中，主驅(qū)動中心角速度較低，在軟土或淤泥質(zhì)地層中，當(dāng)攪拌不夠充分時(shí)，土倉主驅(qū)動中心處易結(jié)泥餅，會導(dǎo)致油脂出口堵塞，各道密封處壓力會無限增大，最終導(dǎo)致油脂回流，密封產(chǎn)生側(cè)翻，進(jìn)而失效。因此實(shí)際設(shè)計(jì)中，會根據(jù)實(shí)際地層的具體工況及要求而進(jìn)行密封的針對性設(shè)計(jì)。

現(xiàn)今市場上盾構(gòu)制造廠家使用的主驅(qū)動密封材質(zhì)多為聚氨酯指型密封和丁腈橡膠唇形密封兩種。出于經(jīng)濟(jì)性能的考慮，盾構(gòu)主驅(qū)動密封原理多采用壓力控制式，具體如圖2、圖3 所示。

指型密封，材料為聚氨酯，盾構(gòu)驅(qū)動上多用四指型密封，密封能力隨著指數(shù)的增加而增大。一般設(shè)計(jì)為持續(xù)注入EP2 黃油脂，注入的油脂壓力大于土倉壓力，同時(shí)油脂不斷往外擠送，以達(dá)到密封的效果。3 道4 指型的密封相當(dāng)于12 道密閉的腔體，因而此種密封結(jié)構(gòu)能有效地防止渣土進(jìn)入主驅(qū)動軸承內(nèi)部[2]。

圖2 指型密封原理圖

圖3 唇形密封原理圖

唇形密封，材料一般為丁腈橡膠，一般設(shè)計(jì)為靠近土倉第一道腔內(nèi)注入HBW 黑油脂，阻擋土倉內(nèi)渣土進(jìn)入主軸承。同時(shí)需第二道腔內(nèi)注入EP2 黃油脂，第三道腔注入齒輪油，最后一道腔體作為泄漏檢測腔，不注入任何物質(zhì)。這種注入帶壓油脂并不斷往外擠送的密封方式可最大限度地保證驅(qū)動主軸承的清潔及安全。

通過對兩種不同形式的密封原理及結(jié)構(gòu)分析，對比其主要優(yōu)缺點(diǎn)為：①唇形密封承壓能力約為5bar 左右，而指型密封唇口較多，密封性能更高，承壓能力約為10bar；②唇形密封需要注入HBW、EP2 齒輪油等多種潤滑密封油脂，使用成本較高，而指型密封腔內(nèi)只需注入EP2，使用成本較低；③指型密封唇口較多，接觸面積大，且聚氨酯材質(zhì)相對于丁腈橡膠更硬，使用時(shí)長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)會對密封跑道造成較大的磨損，同時(shí)會產(chǎn)生較大的熱量；④指型密封采用的材質(zhì)聚氨酯耐高溫性能相對于唇形密封較差，需要冷卻水套降溫，冷卻不及時(shí)，長時(shí)間使用會造成密封溫度過高，加速密封的失效，當(dāng)密封面溫度超過90°時(shí)，密封會迅速糊化失效；⑤由于結(jié)構(gòu)簡單，唇形密封更便于洞內(nèi)維護(hù)更換。

3 盾構(gòu)主驅(qū)動密封的應(yīng)用及失效模式

一般情況下，密封選用的首先要考慮工況條件，結(jié)合工況條件再選取合適的密封形式以及密封材質(zhì)，同時(shí)考慮密封的安裝方式等。主驅(qū)動指型密封相對于唇形密封而言，更易磨損跑道，發(fā)熱量也大，但經(jīng)濟(jì)性能較好，因此此種密封主要設(shè)計(jì)應(yīng)用于國內(nèi)以大扭矩、低轉(zhuǎn)速極軟土地層中掘進(jìn)，如上海、蘇州等華東片區(qū)。目前，唇形密封的設(shè)計(jì)則相對更加成熟、性能可靠，在復(fù)合地層的應(yīng)用則更為廣泛。

常見的主驅(qū)動密封失效模式分3 個階段：設(shè)計(jì)階段、制造階段以及使用階段。設(shè)計(jì)階段出現(xiàn)的密封失效一般為不合適的選材、不合理的結(jié)構(gòu)、不合理的設(shè)計(jì)尺寸值等。制造階段出現(xiàn)的密封失效則主要為加工材料、加工工藝、加工本身的誤差等問題導(dǎo)致。使用階段出現(xiàn)的密封失效主要包括安裝或使用過程中的機(jī)械損傷、疲勞斷裂、高溫老化、清潔度不夠時(shí)的雜質(zhì)侵蝕、潤滑不夠時(shí)的磨損等。

4 結(jié)語

隨著盾構(gòu)在隧道工程施工的普及越來越廣泛，盾構(gòu)研發(fā)及施工單位對盾構(gòu)的功能不斷提出更多新的要求。跨海隧道、大直徑隧道以及大埋深隧道對主驅(qū)動密封性能以及承壓能力等多方面的要求也越來越高。目前，國內(nèi)主驅(qū)動密封件技術(shù)還不夠成熟，主要依靠進(jìn)口，國內(nèi)的研究還需要持續(xù)加大對盾構(gòu)密封試驗(yàn)裝備的投入，在密封件的材料上不斷優(yōu)化和創(chuàng)新，爭取獲得結(jié)構(gòu)性能可靠、產(chǎn)熱量低、耐磨性好、密封補(bǔ)償量大的密封。同時(shí)需要不斷優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)形式，加強(qiáng)對油脂腔內(nèi)外壓力以及油脂消耗量的檢測，增強(qiáng)對故障的預(yù)知能力，使施工更安全高效[3]。