土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動系統(tǒng)再制造重點(diǎn)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

目前國內(nèi)保有的全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（盾構(gòu)機(jī)／TBM）已有1 000 余臺，隨著各種全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)使用年限的增加，由于各種系統(tǒng)零部件的老化以及產(chǎn)品的升級換代因素，部分全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)開始進(jìn)入老齡化階段，面臨著棄之可惜，用之不便的狀況。近年來，李桐[1]、喬治[2]等研究了盾構(gòu)機(jī)再制造工程及部分案例，闡述了盾構(gòu)機(jī)再制造的行業(yè)形勢及主要內(nèi)容，但未對主驅(qū)動等重要的單獨(dú)系統(tǒng)做深入分析。目前盾構(gòu)機(jī)再制造行業(yè)仍處于初期階段，盾構(gòu)機(jī)各系統(tǒng)再制造的重點(diǎn)及標(biāo)準(zhǔn)尚未量化。本文詳細(xì)總結(jié)了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動系統(tǒng)再制造的重點(diǎn)內(nèi)容，為后續(xù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)研究制定、各企業(yè)盾構(gòu)機(jī)再制造策劃與實(shí)施提供參考。

1 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)作為使用較為廣泛的全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)，是依據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件進(jìn)行“量體裁衣”的集光、電、液系統(tǒng)于一體的大型專用設(shè)備，因其安全性高、施工速度快、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，在城市地鐵、隧道等建設(shè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用[3]。

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的主要工作原理：在掘進(jìn)過程中，隨著刀盤不斷切削巖土，在沿圓周布置的液壓千斤頂推力下，盾構(gòu)機(jī)不斷向前推進(jìn)。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)一個(gè)管片的長度（沿洞軸向）時(shí)，便可以用管片拼裝機(jī)將若干管片依次拼裝成環(huán)，渣土經(jīng)由有軌電瓶機(jī)車運(yùn)至洞外。為了能夠更好地保證土壓力平衡，需要合理調(diào)控刀盤、螺旋機(jī)和掘進(jìn)的速度，以便能夠更好地管控切削的土量和出土量，保持土壓內(nèi)部壓力。

2 主驅(qū)動系統(tǒng)

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動系統(tǒng)主要包括主軸承、主驅(qū)動環(huán)件、密封件、減速機(jī)、變頻電機(jī)等部件。主驅(qū)動是盾構(gòu)機(jī)的核心部件，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)[4]，其運(yùn)轉(zhuǎn)的好壞、使用壽命長短、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，在使用過程中，主驅(qū)動故障具有不可拆解、不可修復(fù)的特性，故其可靠性顯得更加重要[5]。

3 主驅(qū)動系統(tǒng)再制造重點(diǎn)內(nèi)容

3.1 主軸承

主軸承是盾構(gòu)機(jī)核心部件及盾構(gòu)機(jī)再制造中的一個(gè)重點(diǎn)。主軸承主要依靠盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動密封及密封跑道的配合與外界隔離，在長期使用中伴隨著唇形密封、密封跑道的老化、磨損，軸承內(nèi)部不可避免地進(jìn)入少量雜質(zhì)、水分，使?jié)L道面及滾子形成壓坑及銹蝕缺陷，如果主軸承潤滑不足則會加劇以上缺陷；用于潤滑的齒輪油品質(zhì)下降后未能及時(shí)更換，油液中包含的金屬顆粒、水分也會使軸承表面形成壓坑及銹蝕；在盾構(gòu)機(jī)上不合理地使用電焊機(jī)等設(shè)備，會使電流通過主軸承，產(chǎn)生電蝕缺陷；在復(fù)雜地層中掘進(jìn)時(shí)，主軸承長期經(jīng)受較大的負(fù)載及沖擊力，會出現(xiàn)裂紋、壓痕的缺陷，甚至?xí)霈F(xiàn)齒面壓潰的現(xiàn)象。主軸承存在的主要問題如圖1所示。以上問題都必須在主軸承再制造過程中予以解決，才能保證再制造后主軸承的質(zhì)量。

目前國內(nèi)盾構(gòu)機(jī)主軸承的再制造一般需委托專業(yè)廠家進(jìn)行，拆解前對軸承各項(xiàng)尺寸、游隙、跳動等數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測記錄；之后將軸承拆解至最小單元，采用著色、熒光磁粉、超聲波無損探傷等檢測方法檢查主軸承滾道、滾子、保持架、大齒圈磨損及是否存在裂紋，并檢測滾道、滾子表面硬度等。對各缺陷修復(fù)后進(jìn)行組裝，再次檢測游隙、跳動等數(shù)據(jù)與拆解前進(jìn)行對比，并達(dá)到修復(fù)前預(yù)期數(shù)據(jù)范圍。

圖1 主軸承存在主要問題

3.2 主驅(qū)動環(huán)件

為了避免外部雜物進(jìn)入主驅(qū)動內(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)。內(nèi)密封跑道與內(nèi)唇形密封配合形成密封結(jié)構(gòu)，并通過油脂注入防止外部渣土進(jìn)入齒輪箱[6]；外密封跑道與外唇形密封配合形成密封結(jié)構(gòu)，并通過油脂注入防止外部渣土進(jìn)入主軸承結(jié)構(gòu)。

再制造過程中，主驅(qū)動環(huán)件的問題主要集中在內(nèi)、外密封跑道。唇形密封與跑道環(huán)形成過盈配合，使用過程中密封跑道或密封（不同品牌、型號盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)不同）與刀盤一同轉(zhuǎn)動，密封會在跑道接觸面形成磨痕，如圖2所示。盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行再制造時(shí)，需對劃槽深度及寬度進(jìn)行檢測并修復(fù)，以保證密封與密封跑道之間的配合性能；密封跑道制作材質(zhì)多選取42CrMo，其耐磨性能極佳，采用堆焊、機(jī)加工、熱處理[7]等工藝可對其進(jìn)行磨損修復(fù)；為保證修復(fù)質(zhì)量，對焊接工藝、材質(zhì)選取、熱處理要求極高，修復(fù)成本較為昂貴；若磨損情況較為嚴(yán)重導(dǎo)致修復(fù)成本較高，則可考慮新制密封跑道進(jìn)行整體更換。

圖2 密封跑道磨痕

3.3 密封件

主驅(qū)動密封件主要指內(nèi)、外唇形密封，以及主驅(qū)動全部的O 型密封圈。唇形密封在使用中因與密封跑道存在過盈配合，且存在相對運(yùn)動，必然存在磨損；盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)行再制造時(shí)，使用時(shí)間或掘進(jìn)里程較長，唇形密封磨損及老化程度較大，且密封本身不具備修復(fù)措施及潛能，必須更換新密封。O型密封圈全部使用在結(jié)構(gòu)結(jié)合面處，因長期擠壓存在變形及老化情況，其自身價(jià)值較低，一般在主驅(qū)動拆解后均全部更換。

3.4 減速機(jī)

減速機(jī)作為盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動系統(tǒng)的重要部件[8]，將電機(jī)的扭矩及轉(zhuǎn)速傳遞至刀盤，實(shí)現(xiàn)刀盤的轉(zhuǎn)動。在惡劣的地質(zhì)條件下，減速機(jī)往往承受著極大的負(fù)載或者沖擊，隨著時(shí)間積累會慢慢產(chǎn)生各種問題；由于減速機(jī)的重要性，以及在盾構(gòu)機(jī)中的安裝位置在掘進(jìn)中難以拆解，故減速機(jī)再制造質(zhì)量的可靠及穩(wěn)定極為重要。在使用中，減速機(jī)常出現(xiàn)的故障有軸承磨損游隙超標(biāo)，行星輪齒面裂紋或剝落，行星架銹蝕，行星輪銷軸松動，輸出齒輪裂紋或剝落，齒圈產(chǎn)生壓坑、磨損，保險(xiǎn)軸產(chǎn)生裂紋等，極端情況下甚至?xí)?dǎo)致減速機(jī)齒圈、行星輪、行星架壓潰等。減速機(jī)存在的主要問題如圖3所示。

圖3 減速機(jī)存在主要問題

因減速機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及專業(yè)性，為充分保障減速機(jī)再制造后的整體性能滿足掘進(jìn)要求，減速機(jī)的再制造多由專業(yè)廠家完成。盾構(gòu)機(jī)減速機(jī)國產(chǎn)化尚未完成，國內(nèi)盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動減速機(jī)全部使用進(jìn)口品牌，但國外廠家對設(shè)備的使用、維修理念與國內(nèi)有所不同，故目前減速機(jī)主要由國內(nèi)減速機(jī)廠家進(jìn)行再制造。減速機(jī)再制造完成組裝后，對其進(jìn)行實(shí)況加載測試較為困難，目前多進(jìn)行空載測試，如噪聲、震動、保壓等；但空載測試指標(biāo)并不能完全保障減速機(jī)的性能，故廠家及使用單位需對減速機(jī)使用中存在的問題及現(xiàn)象進(jìn)行反饋分析，為后續(xù)再制造改進(jìn)提供便利。

3.5 主電機(jī)

圖4 主電機(jī)存在主要問題

在電驅(qū)盾構(gòu)機(jī)中，主電機(jī)為刀盤轉(zhuǎn)動提供驅(qū)動動力。在電機(jī)拆解前需對絕緣阻值、軸承游隙等數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測記錄，并對外觀進(jìn)行清潔、清洗；拆解后對各部件進(jìn)行觀察及檢測并確定存在的相關(guān)問題。主驅(qū)動電機(jī)在再制造過程中的主要問題有軸承磨損游隙超標(biāo)、冷卻水道內(nèi)部銹蝕堵塞、定子內(nèi)部進(jìn)入異物腐蝕損壞電機(jī)絕緣、定子表面銹蝕等，如圖4 所示。因用電設(shè)備要求極高，以上每項(xiàng)問題均可導(dǎo)致電機(jī)報(bào)廢。在以往的再制造及使用中，電機(jī)的絕緣處理不當(dāng)往往是造成返工的主要因素，故對線圈的繞制或蒸煮（處理油污等雜質(zhì)）步驟，以及后續(xù)的絕緣處理是主電機(jī)再制造中的核心工作，直接決定了再制造電機(jī)的質(zhì)量及性能。

4 再制造重點(diǎn)對施工作業(yè)的影響

盾構(gòu)機(jī)作為多系統(tǒng)集成的大型專用設(shè)備，涉及領(lǐng)域廣泛，每個(gè)系統(tǒng)都包涵機(jī)械、液壓、電氣等多個(gè)技術(shù)點(diǎn)，如何掌握盾構(gòu)機(jī)再制造的重點(diǎn)、各系統(tǒng)再制造的重點(diǎn)，對再制造工期籌劃、工序安排、技術(shù)方案制定、資金人員投入等至關(guān)重要。

以國內(nèi)已獲得國家工信部盾構(gòu)機(jī)再制造資質(zhì)的某企業(yè)為例，盾構(gòu)機(jī)再制造前需對機(jī)況進(jìn)行勘察并制定前期策劃書，每個(gè)系統(tǒng)要再制造哪些內(nèi)容，哪些是重點(diǎn)、難點(diǎn)等均需詳細(xì)列舉；然后根據(jù)以上內(nèi)容制定人員投入計(jì)劃、工期計(jì)劃，以及對應(yīng)的重難點(diǎn)系統(tǒng)的技術(shù)方案等；最后在根據(jù)人員投入計(jì)劃、工期計(jì)劃、技術(shù)方案預(yù)估整個(gè)再制造項(xiàng)目的費(fèi)用情況。由此可以看出，掌握盾構(gòu)機(jī)再制造的重點(diǎn)并進(jìn)行梳理和落實(shí)，直接決定了再制造工程的質(zhì)量效益與經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)束語

在國內(nèi)盾構(gòu)機(jī)逐步老齡化、行業(yè)內(nèi)尚無盾構(gòu)機(jī)再制造相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的情況下，本文通過對土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動系統(tǒng)再制造過程中需關(guān)注的重點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)分析，可對盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動及其他系統(tǒng)再制造標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的研究與編制提供參考；同時(shí)也是裝備制造及盾構(gòu)機(jī)保有單位進(jìn)行再制造或大修的指導(dǎo)范例，為降低再制造或大修成本、縮短策劃及再制造工期提供了便利。