全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)主軸承故障診斷研究

（中鐵隧道局集團(tuán)有限公司設(shè)備分公司，廣東 廣州 511462）

隨著地下空間的開(kāi)發(fā)及利用，以全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)為代表的地下空間施工方法得到了廣泛應(yīng)用。主軸承作為全斷面隧道掘機(jī)關(guān)鍵零部件之一，如在設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用時(shí)存在問(wèn)題，就會(huì)引起軸承內(nèi)部損壞，需停機(jī)進(jìn)行故障處理。受隧道內(nèi)空間限制，更換耗時(shí)長(zhǎng)，給工程安全、工期、成本帶來(lái)諸多不可控。國(guó)內(nèi)、外對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的軸承故障診斷研究較多，但針對(duì)全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)主軸承施工現(xiàn)場(chǎng)的故障診斷研究較少，因此對(duì)全斷面隧道掘機(jī)主軸承的結(jié)構(gòu)原理、故障診斷方法及故障原因研究尤為重要。

1 主軸承安裝位置及結(jié)構(gòu)原理

圖1 盾構(gòu)主機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

以中鐵工程裝備設(shè)計(jì)的全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)主軸承安裝位置為例，主機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，驅(qū)動(dòng)單元以液壓或主電機(jī)提供動(dòng)力源，主軸承承擔(dān)支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，外圈作為雙半套圈組合結(jié)構(gòu)，依靠?jī)?nèi)六角螺栓連接機(jī)架，內(nèi)圈則是大齒圈，刀盤(pán)與刀盤(pán)連接體依托高強(qiáng)度的螺栓進(jìn)行連接，主驅(qū)動(dòng)運(yùn)用減速箱驅(qū)動(dòng)小齒輪運(yùn)行，小齒輪與大齒圈帶動(dòng)刀盤(pán)運(yùn)動(dòng)，在軸承的前方設(shè)計(jì)有內(nèi)外密封，以阻擋外來(lái)污染物。

以SKF 公司、洛陽(yáng)軸承集團(tuán)有限公司制造的主軸承為例（圖2），由3 列圓柱滾子、保持架、內(nèi)圈、外圈組成，圓柱滾子又可分為主推力、反推力和徑向滾子三種形式；徑向滾子承載著徑向力，反推滾子則承載反推力和傾覆力矩，主推力滾子則承載著刀盤(pán)推進(jìn)力和刀盤(pán)自重琪的傾覆力矩，盾構(gòu)主軸承承載的最大力是軸向力。

圖2 盾構(gòu)主軸承結(jié)構(gòu)

2 失效型式

通過(guò)對(duì)中鐵工程裝備（WIRTH）、中鐵建、海瑞克、羅賓斯公司生產(chǎn)的全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)100 臺(tái)主軸承全壽命周期跟蹤，對(duì)失效的主軸承進(jìn)行拆解，失效型式主要有：壓痕、擦傷、劃傷、銹蝕、磨粒磨損等，主軸承失效型式見(jiàn)圖3。

圖3 主軸承失效型式

通過(guò)分析失效的主要原因如下。

1）壓痕：軸承內(nèi)部零部件在運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于接觸面咬入了金屬剝塊、污染顆粒，受大推力擠壓，在兩接觸面上產(chǎn)生凹痕。

2）擦傷：添加了黏度較高或較低的潤(rùn)滑油、水冷卻器損壞大量水進(jìn)入主軸承內(nèi)部，使零部件之間形成干摩擦，出現(xiàn)擦傷。

3）劃傷：主軸承滾子崩裂形成鋒利的刀刃狀，滾子運(yùn)動(dòng)時(shí)在滾道形成劃痕。

4）磨粒磨損：由于密封損壞，刀盤(pán)前面的砂粒經(jīng)密封進(jìn)入軸承內(nèi)部，從而引起主軸承零部件磨粒磨損。

5）銹蝕：由于設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間不運(yùn)轉(zhuǎn)，以及在存放時(shí)潤(rùn)滑油中進(jìn)入大量水分，潤(rùn)滑油中添加劑與水發(fā)生氧化反應(yīng)，從而引起零部件銹蝕。

3 故障診斷方法

目前，主軸承的檢測(cè)方法主要有：油品檢測(cè)、振動(dòng)測(cè)試、掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)變化分析、外密封出脂情況檢查、電渦流測(cè)試、內(nèi)窺鏡觀察、密封保壓、油位變化觀察等，主軸承故障檢測(cè)方法對(duì)比見(jiàn)表1。

通過(guò)以上故障診斷方法對(duì)比，在對(duì)主軸承進(jìn)行故障診斷時(shí)，采用單一的故障診斷方法并不可取，需結(jié)合多種診斷方法，才能精準(zhǔn)判斷故障發(fā)生部位及原因。

4 主軸承故障案例

4.1 工程概況

廣州獅子洋隧道工程是廣深港鐵路客運(yùn)專(zhuān)線控制性工程，隧道工程全長(zhǎng)10.8km，設(shè)計(jì)時(shí)速350km，是我國(guó)首座水下鐵路隧道工程，該工程左線采用全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)施工。

4.2 設(shè)備參數(shù)

刀盤(pán)開(kāi)挖最大直徑11.18m，總長(zhǎng)71m，主機(jī)長(zhǎng)12.43m，總重約1 300t，刀盤(pán)開(kāi)口率31%，由8 臺(tái)250kW 主電機(jī)驅(qū)動(dòng)，額定扭矩5 250kNm，脫困扭矩17 745kNm，主軸承設(shè)計(jì)壽命10 000h。

表1 主軸承故障檢測(cè)方法對(duì)比

4.3 故障現(xiàn)象

2009 年10 月12 日，通過(guò)對(duì)左線主軸承潤(rùn)滑油檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：油中水分含量＞0.1%，出現(xiàn)乳化，對(duì)主軸承作了連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)，油品理化指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：主軸承在2009 年11 月19日至2010 年2 月29 日由于密封異常磨損，大量的油脂進(jìn)入到軸承內(nèi)部，引起黏度升高，最高達(dá)910.5cst，先后進(jìn)行了三次換油處理。

為尋找診斷故障規(guī)律，對(duì)2009 年7 月23 日至2010 年7 月20 日油品進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，油品理化指標(biāo)、光譜、鐵譜檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

通過(guò)加大主軸承密封進(jìn)脂量后，油品的黏度最高達(dá)3681cst，鐵、銅、硅元素有所下降，鐵譜中的磨損狀態(tài)變化不大，但水分的進(jìn)入引起酸值的變化，需進(jìn)行油品更處理。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在每次進(jìn)行換油后，只要改善主軸承潤(rùn)滑狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)部件的磨損狀態(tài)會(huì)有周期性改觀。

采取措施：當(dāng)油品理化指標(biāo)超標(biāo)后，進(jìn)行油品更換以改善主軸承內(nèi)部的磨損，主司機(jī)操作時(shí)根據(jù)主軸承油品變化情況選擇合適掘進(jìn)參數(shù)，同時(shí)加大注脂量，以擋住從刀盤(pán)前進(jìn)入主軸承內(nèi)的石渣。

由于該機(jī)的主軸承故障診斷方法得當(dāng)，處理及時(shí)，該工程于2011 年3 月12 日按計(jì)劃順利貫通。事后在洛陽(yáng)軸承廠對(duì)該機(jī)的主軸承進(jìn)行了拆解，發(fā)現(xiàn)主軸承內(nèi)、外密封損壞，與密封接觸端面磨損6～10mm，主軸承滾道、滾子及保持架存在嚴(yán)重的異常剝塊及磨損，與運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)故障診斷結(jié)果一致。

5 結(jié)論與建議

表2 盾構(gòu)主軸承潤(rùn)滑油油品理化指標(biāo)檢測(cè)一覽表

1）主軸承失效型式與設(shè)備制造、安裝、使用好壞存在關(guān)系，只有控制好各個(gè)環(huán)節(jié)才能保障設(shè)備的正常工作。

2）單一的故障診斷方法作用有限，應(yīng)采取多種診斷方法才能準(zhǔn)確找到故障發(fā)生部位及原因。

3）主軸承在使用過(guò)程中，應(yīng)定期進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，如有條件可進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)問(wèn)題后及時(shí)處理，可提高故障診斷率。

4）建議主軸承廠家在設(shè)計(jì)主軸承時(shí)留專(zhuān)門(mén)的觀察孔，以便對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)磨損觀察。

5）主軸承故障診斷基于物聯(lián)網(wǎng)、5G 技術(shù)應(yīng)用，是未來(lái)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。

表3 油品理化指標(biāo)、光譜、鐵譜檢測(cè)一覽表