某盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)失效原因分析

姚 平/ YAO Ping

（中億豐建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 蘇州 215131）

1 事件概況

廣州市軌道交通某標(biāo)段，盾構(gòu)在掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)主驅(qū)動(dòng)齒輪箱內(nèi)存在異響，通過(guò)檢查，確定主驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)已經(jīng)失效，有細(xì)沙、水、密封系統(tǒng)注入的HBW、EP2 油脂一起反流進(jìn)齒輪箱，當(dāng)主驅(qū)動(dòng)大齒圈和小齒輪嚙合時(shí)對(duì)細(xì)沙進(jìn)行擠壓造成了異響。進(jìn)過(guò)緊急處理，盾構(gòu)最后順利貫通隧道。

2 主驅(qū)動(dòng)的改造使用情況

本工程所使用的盾構(gòu)是一臺(tái)經(jīng)過(guò)維修再制造的舊設(shè)備，主驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主驅(qū)動(dòng)在正常工作狀態(tài)下，外密封系統(tǒng)是不旋轉(zhuǎn)的，而內(nèi)密封系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)的；相對(duì)的，外密封系統(tǒng)接觸面是旋轉(zhuǎn)的，而內(nèi)密封接觸面是不旋轉(zhuǎn)的，內(nèi)外密封兩者剛好相反。

圖1 主驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)剖面圖

在維修再制造的過(guò)程中，對(duì)主驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了全面的維修翻新，更換了內(nèi)外密封系統(tǒng)的所有唇形密封件，修復(fù)了的密封接觸面的溝痕，并對(duì)密封壓環(huán)進(jìn)行了局部改造，原密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，改造后的密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式如圖3 所示。

圖2 原密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

通過(guò)查詢主驅(qū)動(dòng)原始圖紙，確定了密封系統(tǒng)的工作間隙為5mm，所以，唇形密封要起到密封作用，安裝后的密封唇突出密封壓環(huán)的尺寸必須大于5mm。對(duì)比圖2 和圖3，可知密封系統(tǒng)的改造內(nèi)容如下。

圖3 改造后密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

1）采用了新的唇形密封，新的唇形密封與原來(lái)的唇形密封相比，截面尺寸增大，唇口厚度增加，弧度增大，唇口根部與密封支座間的位置關(guān)系也由原來(lái)的存在間隙變?yōu)榫o貼。

2）在每道密封壓與唇形密封相對(duì)的位置加工了一個(gè)倒角，目的是為了讓尺寸較大的新密封有更大的空間可以充分張開(kāi)。

3 主驅(qū)動(dòng)拆解檢查

3.1 外密封系統(tǒng)檢查結(jié)果

將主驅(qū)動(dòng)拆卸后對(duì)外密封系統(tǒng)的唇形密封進(jìn)行測(cè)量，如圖4 所示。

圖4 外密封突出密封壓環(huán)尺寸

測(cè)量結(jié)果顯示，外密封系統(tǒng)不同位置的唇形密封突出密封壓環(huán)的尺寸并不相同，以主驅(qū)動(dòng)正常工作的安裝位置來(lái)說(shuō)，在其12 點(diǎn)鐘方向平均尺寸為9mm，3 點(diǎn)鐘和9 點(diǎn)鐘方向平均尺寸為6mm，6 點(diǎn)鐘方向平均尺寸為4mm，6 點(diǎn)鐘方向的密封與密封接觸面存在縫隙，無(wú)法保壓，也無(wú)法阻止前方沙土和水的進(jìn)入。測(cè)量結(jié)果顯示外密封有3/4 范圍的尺寸都超過(guò)了5mm，但是由于“木桶效應(yīng)”，所以實(shí)際上外密封無(wú)法起到密封作用。

3.2 內(nèi)密封系統(tǒng)檢查結(jié)果

主驅(qū)動(dòng)對(duì)拆卸后對(duì)內(nèi)密封系統(tǒng)的唇形密封進(jìn)行測(cè)量，如圖5 所示，實(shí)際測(cè)量后，發(fā)現(xiàn)內(nèi)密封系統(tǒng)圓周內(nèi)幾乎所有位置的唇形密封突出密封壓環(huán)的尺寸均為4mm，與密封接觸面存在縫隙，無(wú)法保壓，也無(wú)法阻止前方沙土和水的進(jìn)入。所以實(shí)際上內(nèi)密封系統(tǒng)沒(méi)有起到密封作用。

圖5 內(nèi)密封突出密封壓環(huán)尺寸

3.3 外密封接觸面磨損情況

外密封接觸面的磨損情況如圖6 所示，圓周各處磨損量基本一致，深度在1～2mm 之間。

圖6 外密封接觸面磨損情況

3.4 內(nèi)密封接觸面磨損情況

內(nèi)密封接觸面的磨損情況如圖7 所示，12 點(diǎn)方向的密封接觸面磨損情況較為嚴(yán)重，溝痕深度在2～3mm 之間，而6 點(diǎn)鐘方向的密封接觸面磨損情況較輕，僅見(jiàn)輕微溝痕，并且每道溝痕的深度并不一致，表面還有大量銹跡。

圖7 內(nèi)密封接觸面磨損情況

3.5 油脂分布情況

密封系統(tǒng)內(nèi)油脂分布情況如圖8 所示，很明顯的可以看到，不論是外密封還是內(nèi)密封，黃色的EP2 油脂聚集在注脂孔附近，并且呈軸向分布，并沒(méi)有填充成環(huán)，其余位置為黑色的油脂，證實(shí)相鄰的兩道密封之間沒(méi)有形成密封效果。

圖8 密封油脂分布情況

4 原因分析

4.1 外密封系統(tǒng)失效原因分析

根據(jù)外密封的尺寸測(cè)量情況和外密封接觸面的磨損情況進(jìn)行分析，密封失效的原因應(yīng)該是唇形密封在安裝過(guò)程中局部壓縮過(guò)量造成的。

常規(guī)的唇形密封在制作時(shí)時(shí)會(huì)讓唇形密封的外圈入密封槽后，軸承上唇形密封才會(huì)獲得正確的徑向壓縮角度。為了密封在密封槽里能夠盡可能的均勻分布，應(yīng)該在最少3 個(gè)點(diǎn)位同時(shí)將密封推入密封槽內(nèi)，如圖9 所示，接下來(lái)，要將密封圈的剩余部分盡可能的同時(shí)擠入密封槽內(nèi)到達(dá)終點(diǎn)位置。為了確保整個(gè)密封的外表面與密封槽的基面相接觸，可以利用鈍器將密封推入正確的位置，整個(gè)圓周都要進(jìn)行這一步驟，如圖10 所示。按照上述正確的安裝步驟，才能夠獲得正確的安裝效果，而失效事件中的主驅(qū)動(dòng)密封顯然沒(méi)有進(jìn)行多點(diǎn)推進(jìn)，造成了局部的壓縮過(guò)量，唇口徑向角度不一致，導(dǎo)致唇口內(nèi)徑不均，沒(méi)有起到密封效果。

圖9 唇形密封多點(diǎn)安裝示意圖

圖10 唇形密封推入示意圖

4.2 內(nèi)密封系統(tǒng)失效原因分析

根據(jù)內(nèi)密封的尺寸測(cè)量情況進(jìn)行分析，唇形密封突出密封壓環(huán)尺寸不足5mm 的原因應(yīng)該是新唇形密封與舊密封壓環(huán)的楔形突起不匹配造成的。

楔形突起的作用主要有兩個(gè)，一個(gè)作用是防止唇口在高工作壓力下翻轉(zhuǎn)，另一個(gè)作用是增加密封在高工作壓力下的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)壽命。但前提是密封支座不能影響唇形密封的密封性能，因此與密封唇口根部是存在著間隙的，目的是不限制唇形密封的張開(kāi)變形。顯然新的唇形密封安裝后的徑向壓縮角度受到了密封支座的限制，導(dǎo)致無(wú)法正確展開(kāi)，造成了唇口內(nèi)徑尺寸的變小，沒(méi)有起到密封效果。但是如果唇形密封突出密封壓環(huán)尺寸在整個(gè)周全均不足5mm 的話，密封唇口與密封接觸面并不接觸，不應(yīng)該對(duì)密封接觸面造成磨損才對(duì)?？蓪?shí)際上內(nèi)密封接觸面存在著磨損，且磨損后的溝槽12 點(diǎn)方向的深度還大于外密封接觸面的溝槽深度，而6 點(diǎn)鐘方向的磨損量很小且有大量銹跡。

對(duì)于上述問(wèn)題，初步懷疑是內(nèi)密封接觸面所在的鋼結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)了變形導(dǎo)致的，整個(gè)內(nèi)密封接觸面形成的圓柱體出現(xiàn)“抬頭”，前端底部（6 點(diǎn)鐘方向）存在較大間隙，水和細(xì)沙更容易進(jìn)入聚集，因此出現(xiàn)底部磨損較小且磨損程度不一致的情況，這也是未磨損的地方出現(xiàn)大面積銹跡的原因。同時(shí)造成前端頂部（12 點(diǎn)鐘方向）的間隙變小，因此出現(xiàn)了密封接觸面磨損量較大的情況。為了驗(yàn)證，將拆解后的內(nèi)密封接觸面結(jié)構(gòu)件水平放置在立式車床上，利用百分表測(cè)量?jī)?nèi)密封接觸面的圓柱度，發(fā)現(xiàn)確實(shí)存著最大2.5mm 的變形量。鋼結(jié)構(gòu)件變形的原因有：①維修前就已經(jīng)受撞擊變形；②維修過(guò)程中因焊接引起的熱變形；③本次掘進(jìn)過(guò)程中受撞擊變形。由于沒(méi)有當(dāng)初維修后的檢測(cè)記錄，已經(jīng)無(wú)從查起。

可見(jiàn)，新密封與舊密封壓環(huán)的楔形突起不匹配和內(nèi)密封接觸面所在結(jié)構(gòu)件的變形是導(dǎo)致內(nèi)密封系統(tǒng)失效的主要原因。

5 總結(jié)和建議

盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)失效的原因是多方面的，本文中的案例涉及到原因的比較少見(jiàn)，第一個(gè)主要原因是新密封的廠家對(duì)原密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸沒(méi)有充分理解，因此提供配套的新唇形密封與舊密封壓環(huán)不匹配，造成密封失效。第二個(gè)主要原因是安裝工人在唇形密封的安裝過(guò)程中沒(méi)有按照正確的安裝工藝進(jìn)行安裝，導(dǎo)致密封系統(tǒng)沒(méi)有起到密封效果。更重要的是設(shè)備在出廠的時(shí)候沒(méi)有進(jìn)行的密封效果檢測(cè)，所以沒(méi)有發(fā)現(xiàn)密封系統(tǒng)存在問(wèn)題，導(dǎo)致了存在問(wèn)題的主驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行帶病工作。多種因素造成了設(shè)備在掘進(jìn)過(guò)程中密封系統(tǒng)的失效，好在經(jīng)過(guò)緊急處理，盾構(gòu)最后順利貫穿通道，沒(méi)有造成嚴(yán)重后果。

主驅(qū)動(dòng)是盾構(gòu)的關(guān)鍵核心部件，主驅(qū)動(dòng)能夠正常工作是盾構(gòu)能夠正常工作的基本保證，而出廠前進(jìn)行密封效果檢測(cè)是保證主驅(qū)動(dòng)能夠正常工作，提前檢測(cè)才能防患于未然。

綜上，經(jīng)過(guò)再制造維修的盾構(gòu)，所有的再制造部件都應(yīng)嚴(yán)格遵守正確的生產(chǎn)工藝和安裝工藝，并在出廠之前進(jìn)行各種必要檢測(cè)，嚴(yán)格的檢測(cè)是產(chǎn)品質(zhì)量的保證。