盾構(gòu)主軸承典型失效案例分析

劉雪源，李磊，孫海波，劉瑞慶，李大偉

（中鐵隧道局集團(tuán)有限公司 設(shè)備分公司，河南 洛陽 471000）

LIU Xue-yuan,LI Lei,SUN Hai-bo,LIU Rui-qing,LI Da-wei

主軸承是連接盾構(gòu)刀盤系統(tǒng)與驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，常見的主要為帶預(yù)緊或不帶預(yù)緊的三排圓柱滾子回轉(zhuǎn)支撐軸承，在盾構(gòu)掘進(jìn)時主要承受刀盤工作過程中傳遞的軸向載荷、徑向載荷、傾覆力矩和扭矩。作為盾構(gòu)這種大型設(shè)備的關(guān)鍵件，主軸承的性能質(zhì)量必須要有保障。

在實(shí)際施工過程中，盾構(gòu)主軸承面臨的工況環(huán)境十分惡劣、復(fù)雜，由于設(shè)計、加工制造、再制造（維修）、檢測、安裝、使用和維護(hù)保養(yǎng)等方面出現(xiàn)問題，都可能導(dǎo)致盾構(gòu)主軸承發(fā)生故障或提前失效。本文通過搜集、整理的不同工況條件下盾構(gòu)主軸承再制造（整修）實(shí)際案例，在此基礎(chǔ)上提煉、總結(jié)出盾構(gòu)主軸承零部件常見的損傷缺陷、故障和失效形式，為盾構(gòu)主軸承的設(shè)計制造、安裝使用及維護(hù)保養(yǎng)提出針對性合理化建議，降低主軸承的使用風(fēng)險，提高盾構(gòu)主軸承使用壽命。

1 主軸承結(jié)構(gòu)

常見的盾構(gòu)主軸承主要為帶預(yù)緊或不帶預(yù)緊的組合式三排圓柱滾子回轉(zhuǎn)支撐軸承，其結(jié)構(gòu)由滾子、保持架、內(nèi)圈和外圈組成。具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 盾構(gòu)主軸承結(jié)構(gòu)示意圖

2 盾構(gòu)主軸承失效機(jī)理分析

盾構(gòu)主軸承失效形式一般表現(xiàn)為疲勞斷裂和磨損失效，此種失效方式多為潤滑不到位、裝配不合理、異物進(jìn)入軸承內(nèi)部或者使用過度疲勞所致，在軸承自身的設(shè)計壽命范圍內(nèi)結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，軸承的失效因素比例為：配合不當(dāng)16%；潤滑不良36%；外界污染14%；疲勞34%。

除此之外，在盾構(gòu)穿越軟硬不均、破碎帶或者在刀盤、刀具異常損壞等情況下施工，當(dāng)受到長時間不均衡的壓應(yīng)力沖擊，會造成其零部件的異常損壞，進(jìn)而加劇主軸承的損壞，在施工過程中應(yīng)特別注意。

3 盾構(gòu)主軸承典型失效案例及分析

3.1 案例1

某海瑞克盾構(gòu)采用?2.62m SKF 主軸承，在經(jīng)過11km 以上施工掘進(jìn)后進(jìn)行拆解檢修，發(fā)現(xiàn)內(nèi)齒圈齒面存在較大程度的磨損、滾道、滾子表面大面積銹蝕及較多異物壓痕、上半外圈軟帶處有缺陷，缺陷走向平行于滾道，主軸承內(nèi)部發(fā)現(xiàn)有較多泥漿。

3.1.1 可能原因

經(jīng)設(shè)備長時間運(yùn)轉(zhuǎn)，主軸承使用時間已經(jīng)超過使用壽命，滾道及滾動體表面接觸部位經(jīng)較長時間壓應(yīng)力作用，出現(xiàn)金屬疲勞和磨損所致，加上內(nèi)部進(jìn)入水泥漿，使主軸承加速損壞。

3.1.2 處理建議

對使用壽命達(dá)到或超過設(shè)計壽命的主軸承，出現(xiàn)較大范圍的磨損、剝落、銹蝕等現(xiàn)象，雖然經(jīng)修復(fù)后外觀可得到恢復(fù)，但其硬度、疲勞程度、承力能力等已發(fā)生較大改變，繼續(xù)使用有存在施工風(fēng)險，且維修恢復(fù)成本較大，建議報廢。

3.2 案例2

某法瑪通泥水盾構(gòu)采用?4.8m Rothe Erde主軸承，經(jīng)過約4.7km 施工掘進(jìn)后，進(jìn)行較長時間的露天存放。再次恢復(fù)使用對主軸承進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)主推力滾子多數(shù)已破碎成鵝卵石狀，其保持架全部散架；反推力滾子多數(shù)表面銹蝕，多數(shù)保持架存在斷裂散架；徑向滾子部分保持架斷裂；主推力滾道表面整體銹蝕嚴(yán)重，表面存在電容蝕坑、磨損坑；主軸承內(nèi)部進(jìn)入大量泥漿、砂石等異物。

3.2.1 可能原因

1）經(jīng)了解主軸承在應(yīng)用期間在7bar 高水壓環(huán)境下長時間掘進(jìn)，密封油脂注入不到位造成泥漿突破密封系統(tǒng)，加劇密封和跑道面損壞，致使泥漿、硬質(zhì)顆粒物等進(jìn)入主軸承內(nèi)部，在重載作用下逐步損壞。

2）盾構(gòu)組裝或洞內(nèi)焊接刀盤時，搭鐵線未嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)放置，致使主軸承滾子和滾道面接觸處有大電流通過，產(chǎn)生了電熔蝕坑，電熔蝕坑隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時間的延長，逐漸剝落并呈擴(kuò)大趨勢，最終導(dǎo)致主軸承滾子及滾道面的損壞。

3）長期存放保養(yǎng)不到位，導(dǎo)致內(nèi)部銹蝕嚴(yán)重。

3.2.2 處理建議

主軸承內(nèi)部關(guān)鍵件已嚴(yán)重?fù)p壞，已無維修價值，建議報廢。

3.3 案例3

某海瑞克盾構(gòu)采用?2.62m SKF 主軸承，在華東地層掘進(jìn)2km 左右后對主軸承進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)內(nèi)圈齒面存在碰傷裂紋、齒面邊緣位置局部掉塊，個別齒面存在小面積異物壓痕，深度較淺；滾道面異物壓痕、輕微銹蝕、磨痕。

3.3.1 可能原因分析

在施工掘進(jìn)過程中可能齒輪嚙合時出現(xiàn)偏載、主軸承扭矩突變所致。

3.3.2 處理措施

1）對軸承齒面碰傷、掉塊區(qū)域進(jìn)行打磨處理并進(jìn)行探傷，確保打磨后無裂紋

2）修磨去除滾道面銹蝕。

3）恢復(fù)使用后注意油脂的使用和做好主軸承的振動監(jiān)測、油液檢測工作。

3.4 案例4

某中鐵號盾構(gòu)采用?2.62m 主軸承，歷經(jīng)鄭州、北京地層施工，累計掘進(jìn)5.4km 后進(jìn)行主軸承拆檢，內(nèi)、外圈端面輕微銹蝕，內(nèi)、外全主推力滾道有少量壓坑，深度較淺，主推力滾子整批分組差實(shí)測0.008mm，已超出標(biāo)準(zhǔn)（≤0.005mm）。

3.4.1 原因分析

施工過程中可能存在潤滑不到位，載荷不均的情況，整體損耗情況在允許范圍內(nèi)。

3.4.2 處理建議

因銹蝕、壓坑較淺，采用常規(guī)修磨處理。

綜上，通過整理、分析和總結(jié)以往盾構(gòu)主軸承實(shí)際拆解檢測結(jié)果，顯示常見的典型故障及失效形式主要包括7 個方面：疲勞剝落、銹蝕、斷裂和裂紋、壓痕、磨損、電流腐蝕和保持架損壞，這與主軸承應(yīng)用過程中施工環(huán)境、保養(yǎng)維護(hù)、和受沖擊程度均有較大關(guān)系。

4 結(jié)論

主軸承的壽命主要取決于設(shè)計制造、裝配及施工應(yīng)用等多方面因素。

盾構(gòu)主軸承零部件所用的材料及熱處理工藝對軸承的性能和可靠性起著決定性作用，對于采購方來講一定從源頭上控制軸承質(zhì)量，選擇合適的品牌，這是設(shè)備能夠有效運(yùn)轉(zhuǎn)的第一步；其次在裝配盾構(gòu)主軸承零部件時主要配合尺寸必須符合設(shè)計要求或工藝規(guī)定，要保證環(huán)境及材料的自身清潔，避免攜帶異物，造成后續(xù)軸承內(nèi)部磨損。由于齒間隙、安裝受力程度以及緊固螺栓的扭矩也是裝配過程中的重要因素，必須安排專業(yè)人員使用專用工具進(jìn)行裝配。

對于施工應(yīng)用應(yīng)著重注意以下方面。

1）對于在砂卵石、泥巖、軟硬不均地層及高水壓等復(fù)雜地質(zhì)工況條件下施工的盾構(gòu)，施工全程應(yīng)增加對主軸承油品雜質(zhì)的檢驗頻率，避免因為軸承內(nèi)部滾道銹蝕、壓痕等邊緣過早出現(xiàn)疲勞剝落而影響到軸承的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，如有條件最好使用主軸承齒輪油狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)油水污染情況實(shí)時監(jiān)測，起到提前預(yù)警作用。

2）主軸承潤滑孔道須時刻保持油路暢通，保證注入主軸承密封的油脂用量，否則會導(dǎo)致盾構(gòu)刀盤開挖艙內(nèi)壓力泥漿突破密封系統(tǒng)進(jìn)入主軸承結(jié)構(gòu)內(nèi)部；注入主軸承密封的油脂也不能過量，過量會增大摩擦并導(dǎo)致主軸承密封系統(tǒng)溫度上升，增加密封跑道及密封的失效風(fēng)險。

3）對于電驅(qū)盾構(gòu)，標(biāo)定調(diào)試好扭矩限制器，確保過載時及時切斷小齒輪到主軸承內(nèi)齒圈的動力傳遞；對于液驅(qū)盾構(gòu)，標(biāo)定調(diào)試好恒功率控制閥，確保液壓工作回路壓力過載時自動降低系統(tǒng)流量，從而實(shí)現(xiàn)限制液壓系統(tǒng)工作扭矩的目的。

4）針對不同地質(zhì)條件工況，合理調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)動力參數(shù)（扭矩、推力），如有掘進(jìn)參數(shù)異常現(xiàn)象及時停機(jī)分析，提高對掘進(jìn)參數(shù)的敏感度。

5）對于長時間存放的設(shè)備，如拆機(jī)存放或整體存放但不能通電轉(zhuǎn)動的盾構(gòu)，首先應(yīng)保證加注滿齒輪油并做好遮蓋防雨工作，并定期檢查更換油液，加注、涂抹油脂，對于能達(dá)到通電條件的應(yīng)定期運(yùn)轉(zhuǎn)潤滑。

6）若在盾構(gòu)主驅(qū)動系統(tǒng)附近進(jìn)行焊接作業(yè)，搭鐵線位置必須嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)放置，避免電流通過主軸承造成電熔蝕坑。

7）在盾構(gòu)施工全過程中，應(yīng)定期（如每掘進(jìn)300m），對主軸承齒輪油進(jìn)行取樣檢測，通過運(yùn)動粘度、機(jī)械雜質(zhì)、水分、鐵譜、光譜分析油液是否需要更換，內(nèi)部是否存在磨損，每日對運(yùn)轉(zhuǎn)主軸承的徑向、軸向的振動監(jiān)測，能夠較好地規(guī)避主軸承重大故障，延長其使用壽命。O