TBM主軸承內(nèi)密封迷宮結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造技術(shù)研究

王家海

（中鐵十九局集團(tuán)第一工程有限公司 遼寧遼陽(yáng) 111000）

1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)水利水電項(xiàng)目及鐵路、地鐵站、公路、礦山、采礦等新基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目的大規(guī)模實(shí)施，TBM建設(shè)施工技術(shù)在中國(guó)得到廣泛的應(yīng)用［1］。另外，隨著隧道開(kāi)挖長(zhǎng)度和斷面直徑不斷增加，TBM機(jī)械的開(kāi)挖難度逐漸上升，相對(duì)的機(jī)器設(shè)備可靠性和現(xiàn)場(chǎng)適當(dāng)處理常見(jiàn)故障的要求也越來(lái)越高。主軸承是TBM的關(guān)鍵組件，其正常運(yùn)行和內(nèi)部密封的可靠性至關(guān)重要［2］，內(nèi)密封腔的安全尤其重要，是主軸承最重要的外部安全防護(hù)保護(hù)。

目前，結(jié)合國(guó)內(nèi)各種主驅(qū)動(dòng)密封相關(guān)先進(jìn)技術(shù)案例來(lái)考慮［3－4］，由于設(shè)備已經(jīng)組裝掘進(jìn)，用 Stellite耐磨金屬板代替碳鋼熱處理設(shè)計(jì)來(lái)密封滑道并不可行。充分考慮Wilt TB880E型TBM，在南疆線吐庫(kù)段中天山特長(zhǎng)隧道施工過(guò)程中修復(fù)耐磨結(jié)構(gòu)及迷宮式結(jié)構(gòu)的案例，發(fā)現(xiàn)主驅(qū)動(dòng)油脂和齒輪油發(fā)生問(wèn)題之后，進(jìn)行刀盤固定和相關(guān)部位的拆除工作后對(duì)耐磨環(huán)上脫落和損傷的磨痕進(jìn)行修復(fù)，整體工作周期太長(zhǎng)，如果能提前改造防護(hù)或可避免。羅賓斯直徑為10.23 m的掘進(jìn)機(jī)用于蘭渝鐵路西秦嶺隧道施工中，完成了新舊主軸承改裝生產(chǎn)工藝，與維爾特TBM的一樣，周期太長(zhǎng)，人力物力投入相對(duì)較多，同時(shí)受圍巖條件約束。鐵建重工曾利用仿激光焊機(jī)堆焊對(duì)某直徑為8.8 m的掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動(dòng)進(jìn)行人工修復(fù)，采用三種不同的焊材三層堆焊，焊接結(jié)果經(jīng)過(guò)測(cè)試，焊接密實(shí)無(wú)裂紋，硬度滿足要求。綜上所述，用Stellite耐磨金屬板代替碳鋼熱處理需在制造階段完成，現(xiàn)場(chǎng)不具備條件；耐磨結(jié)構(gòu)及迷宮式結(jié)構(gòu)修復(fù)和仿激光焊機(jī)堆焊這兩種修復(fù)方式，都需要較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)固定和拆除刀盤，整體工期相對(duì)較長(zhǎng)。相對(duì)以上案例，改造工作整體較為復(fù)雜，造成的人力成本和財(cái)力成本不可估計(jì)，且對(duì)總工期造成極大的影響，無(wú)法保證總體工程進(jìn)度，急需一種短時(shí)有效、簡(jiǎn)便易操作的手段來(lái)保證主驅(qū)動(dòng)密封的安全可靠性［5－6］。本次改造在不改變?cè)O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行，不需要拆除刀盤，所以不受圍巖條件約束，僅需6～8人、約24 h即可完成。

針對(duì)洞內(nèi)主軸承內(nèi)密封迷宮腔進(jìn)泥、進(jìn)水、進(jìn)渣造成油品污染［7］，進(jìn)一步造成密封損壞，主軸承、大齒圈、小齒輪、密封環(huán)等磨損以及后續(xù)的修復(fù)處理及更換等情況，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有更好的系統(tǒng)研究資料，大多是整體拆除刀盤進(jìn)行耐磨環(huán)等結(jié)構(gòu)更換和維修，即拆卸刀盤并固定在掌子面才能整體拆卸和更換［8－9］，此方法將導(dǎo)致停工超過(guò)4個(gè)月，潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)很高，成本也很高［10］。因此，根據(jù)對(duì)新疆某引水工程建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)分析，科學(xué)研究得出在隧道狹窄空間內(nèi)進(jìn)行內(nèi)密封迷宮結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造方案，在TBM內(nèi)密封尚且完好的狀態(tài)下進(jìn)行改造，不需要分離刀頭和側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖，既可控制成本，又縮短了工期。

2 結(jié)構(gòu)及原理

本文研究的ZTT7030型開(kāi)敞式全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)（簡(jiǎn)稱TBM）［11］，由中國(guó)鐵建重工集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)制造。主驅(qū)動(dòng)主要由變速箱、主軸承、大齒圈、變頻電機(jī)、扭矩限制器、減速機(jī)、小齒輪、法蘭和一套內(nèi)外密封結(jié)構(gòu)組成。主驅(qū)動(dòng)有內(nèi)、外兩套唇形密封，共計(jì)三個(gè)唇形密封和內(nèi)外兩個(gè)耐磨環(huán)。三道唇形密封中有兩道唇型密封面向刀盤方向，用來(lái)防止泥砂和水等污染物的進(jìn)入；剩余的唇型密封面向主驅(qū)動(dòng)齒輪箱，用來(lái)防止齒輪油的外泄。三道密封分割成四個(gè)空間，稱之為腔。外側(cè)第一密封之前為腔1，外側(cè)為迷宮結(jié)構(gòu)，由EP2潤(rùn)滑脂填充；往內(nèi)和第二道唇形密封之間的空間為腔2，內(nèi)部有大量齒輪油，用于給密封潤(rùn)滑；再往內(nèi)密封之間為腔3，為泄漏腔，主要用來(lái)檢測(cè)是否有異物進(jìn)入主驅(qū)動(dòng)，可檢驗(yàn)主驅(qū)動(dòng)密封是否完好；最內(nèi)側(cè)空間為腔4，同樣填充齒輪油。整套系統(tǒng)可以保證主軸承和變速箱不進(jìn)水、灰塵及其他污粒，同時(shí)防止軸承和齒輪潤(rùn)滑油流失。EP2潤(rùn)滑脂持續(xù)不斷地供給到內(nèi)外密封腔以增強(qiáng)密封效果，提高唇形密封使用壽命。主軸承密封原理見(jiàn)圖1。在正常掘進(jìn)過(guò)程中，密封結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)問(wèn)題，或者遇到涌泥涌水等惡劣地質(zhì)環(huán)境，迷宮腔就是保護(hù)主驅(qū)動(dòng)的第二道防線，可以給相關(guān)技術(shù)人員一定的緩沖時(shí)間來(lái)清理迷宮、更換油品，以免造成主軸承損傷，增加工作難度，所以迷宮腔在整個(gè)結(jié)構(gòu)中至關(guān)重要。

圖1 主軸承密封原理

3 故障范圍及確認(rèn)

2018年4月跟蹤測(cè)試發(fā)現(xiàn)，齒輪油機(jī)械設(shè)備殘?jiān)蠵b、Cr和水分的理化指標(biāo)均超標(biāo)，Pb含量為13 mg/kg（參考值為5 mg/kg），Cr含量為13 mg/kg（參考值為4 mg/kg），水分超過(guò)0.2%（參考值為0.2%），判斷主驅(qū)動(dòng)密封可能存在問(wèn)題。拆卸齒輪油過(guò)濾裝置，更換濾芯，后對(duì)油品質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題仍未解決；更換成品油后，仍然存在故障。專業(yè)技術(shù)人員對(duì)主驅(qū)動(dòng)的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)外密封整體狀況良好。在內(nèi)密封檢查過(guò)程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)油脂分布不飽滿，局部有空腔的不良情況，后發(fā)現(xiàn)沿線其他工地同型號(hào)TBM有粉塵、水分通過(guò)唇形密封進(jìn)入主軸承和齒輪箱內(nèi)，造成油品污染，主軸承磨損。對(duì)此各工地均采取調(diào)整耐磨環(huán)、更換唇形密封的解決辦法。所有問(wèn)題都集中在內(nèi)密封位置，且在處理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)迷宮腔內(nèi)有大量泥砂等雜質(zhì)。

4 故障原因分析

事故發(fā)生時(shí)，該項(xiàng)目已掘進(jìn)了4 km，未進(jìn)行過(guò)設(shè)備大修，設(shè)備整體狀態(tài)良好，且在新疆EH項(xiàng)目和其他項(xiàng)目使用的同型號(hào)TBM中，掘進(jìn)同樣公里數(shù)或者更多的，有4臺(tái)設(shè)備也發(fā)生了同樣問(wèn)題，由此判斷主軸承密封進(jìn)雜質(zhì)，造成油品變質(zhì)，主軸承和唇形密封磨損的主要原因如下：

（1）主軸承屬于核心部件，內(nèi)密封迷宮腔的出油口分布過(guò)于分散，出油量設(shè)計(jì)不合理，造成內(nèi)密封油脂不飽滿，有空腔，屬于設(shè)計(jì)缺陷。

（2）發(fā)生該問(wèn)題時(shí)圍巖破碎，泥砂較多，涌水量大，屬于不可控的地質(zhì)問(wèn)題。

（3）迷宮腔內(nèi)泥砂進(jìn)入到油樣中發(fā)現(xiàn)機(jī)械雜質(zhì)超標(biāo)時(shí)間過(guò)短，給維保人員的反應(yīng)時(shí)間不夠，未能達(dá)到應(yīng)有的效果，同樣屬于設(shè)計(jì)缺陷。

（4）發(fā)生該問(wèn)題時(shí)前方有涌水，水流較大，刀盤排水口未能及時(shí)排出，EP2密度較小，會(huì)漂浮于水面上隨著水流逐漸減少，造成密封局部失效，同樣屬于設(shè)計(jì)缺陷。

5 處理方案

主驅(qū)動(dòng)已經(jīng)出場(chǎng)，現(xiàn)階段無(wú)法對(duì)主驅(qū)動(dòng)內(nèi)密封的出油口進(jìn)行更改，地質(zhì)問(wèn)題不可控，EP2和水的密度無(wú)法更改，涌水量也難以控制，唯一能進(jìn)行優(yōu)化改造的就是迷宮腔?？赏ㄟ^(guò)優(yōu)化改造增加一道迷宮，給相關(guān)維護(hù)人員提供足夠的時(shí)間，在主軸承發(fā)生磨損之前能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)清理迷宮結(jié)構(gòu)，更換被污染的油品，以保證設(shè)備正常運(yùn)行。改進(jìn)措施為在原有的內(nèi)密封迷宮外側(cè)，再安裝兩塊迷宮塊環(huán)件，使得原有的內(nèi)密封迷宮通道加長(zhǎng)，且密封效果更好。

5.1 準(zhǔn)備工作

（1）裝配內(nèi)迷宮環(huán)前清理內(nèi)壓緊環(huán)與內(nèi)密封環(huán)附近泥砂與油脂，同時(shí)清理內(nèi)迷宮縫隙間的所有油脂（用抹布擦干凈）。

（2）使用氣管清理第一道內(nèi)密封環(huán)腔的油脂，提供3bar左右的氣源，同時(shí)檢測(cè)出油口是否通暢，點(diǎn)動(dòng)刀盤正反轉(zhuǎn)2圈清理，同時(shí)清理迷宮（用干凈的320齒輪油）。

（3）主驅(qū)動(dòng)內(nèi)密封區(qū)域搭接工作平臺(tái)，平臺(tái)之間垂直高度差低于600 mm，便于人員拆裝工作（便于拆裝內(nèi)密封環(huán)）。

5.2 拆除

拆除之前先拋光內(nèi)密封環(huán)與內(nèi)壓緊環(huán)端面銹蝕區(qū)域至金屬光澤（要用1 600目以上的水砂紙）；拆除內(nèi)壓緊環(huán)與內(nèi)密封環(huán)上的連接螺釘與堵頭螺釘，拆下壓緊環(huán)并清除表面油脂；按圖2涂膠區(qū)域整圈涂抹玻璃膠后再涂抹改性硅烷膠。

圖2 涂膠區(qū)域示意

5.3 安裝

（1）安裝內(nèi)迷宮環(huán)1，將內(nèi)迷宮環(huán)1的φ18通孔使用12件M16×55的螺釘連接至內(nèi)壓緊環(huán)頂絲孔，將48件M16×90螺釘穿過(guò)內(nèi)壓緊環(huán)的通孔連接至法蘭螺紋孔，注意M16×90螺釘需有墊圈。

（2）安裝內(nèi)迷宮環(huán)2，將內(nèi)迷宮環(huán)2的φ18通孔使用30件M16×70的螺釘連接至內(nèi)密封環(huán)頂絲孔，將60件M16×100螺釘穿過(guò)內(nèi)密封環(huán)的通孔連接至變速箱螺紋孔。

6 優(yōu)化改造后效果分析

改造后的內(nèi)密封迷宮結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 改造后的內(nèi)密封迷宮結(jié)構(gòu)

改進(jìn)措施是在原有的內(nèi)密封迷宮外側(cè)，再安裝兩塊迷宮塊環(huán)件，使得原有的內(nèi)密封迷宮通道加長(zhǎng)，且密封效果更好，可以更好地防止外界污染物進(jìn)入，造成內(nèi)密封失效。

本次內(nèi)密封優(yōu)化改造可作為一個(gè)成功的優(yōu)化改造典型，改造周期為24 h，后續(xù)一年的月均設(shè)備完好率高達(dá)92.8%，月均進(jìn)尺達(dá)560 m，最高月進(jìn)尺達(dá)873.88 m，內(nèi)密封狀態(tài)良好，未出現(xiàn)主軸承進(jìn)渣等問(wèn)題。由于是設(shè)備優(yōu)化改造，相關(guān)結(jié)構(gòu)件的制造并不耽誤時(shí)間，只有安裝過(guò)程需24 h，改造后即可直接恢復(fù)正常掘進(jìn)，相對(duì)于更換密封一個(gè)月的工作量，降低了97%，不僅節(jié)省了項(xiàng)目的建設(shè)時(shí)間，而且大大降低了成本。

7 結(jié)論

本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)主驅(qū)動(dòng)內(nèi)密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造，介紹了在不改變?cè)O(shè)備主結(jié)構(gòu)的前提下，在原有的內(nèi)密封迷宮外側(cè)，再安裝兩塊迷宮塊環(huán)件，使得原有的內(nèi)密封迷宮通道加長(zhǎng)，且密封效果更好，可以更好地防止外界污染物的進(jìn)入，造成內(nèi)密封失效；節(jié)省大量維護(hù)時(shí)間，提高工作效率。對(duì)于縮短長(zhǎng)隧道的建設(shè)周期、降低工程成本具有重要意義。