盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)超大聚氨酯密封圈的研制及工程應(yīng)用

何其平，徐 進(jìn)

（1.中國(guó)鐵建重工集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100；2.北京建科匯峰科技有限公司，北京 101105）

隨著我國(guó)國(guó)力的日益強(qiáng)大，城市軌道交通進(jìn)入了高速發(fā)展階段。2020年，我國(guó)地鐵運(yùn)營(yíng)總里程達(dá)到6 302.79 km，并以每年15%～20%的速度遞增。盾構(gòu)機(jī)作為一種隧道掘進(jìn)的專(zhuān)用工程機(jī)械，在隧道施工過(guò)程中可有效控制地面沉降和減少施工對(duì)地面建筑的影響，尤其適合在隧道較長(zhǎng)、埋深較大的情況下使用，既經(jīng)濟(jì)又安全[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)：2020年中國(guó)盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)量約為461臺(tái)；2021年地鐵建設(shè)用盾構(gòu)機(jī)的需求量約為563臺(tái)，按照4 000萬(wàn)元·臺(tái)-1的價(jià)格估算，為年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值225億元。

作為動(dòng)力來(lái)源的主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)的核心組成部分，維護(hù)較為困難，因此需要更高的質(zhì)量穩(wěn)定性以降低維修頻率和延長(zhǎng)使用壽命[2]。在盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，主驅(qū)動(dòng)超大密封圈（簡(jiǎn)稱(chēng)密封圈）起到了至關(guān)重要的作用。完整可靠的主驅(qū)動(dòng)密封圈一方面給主驅(qū)動(dòng)軸承提供了良好的運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境；另一方面，帶有一定壓力的潤(rùn)滑油脂向盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)側(cè)強(qiáng)制擠出，可以有效地防止土倉(cāng)內(nèi)的泥砂進(jìn)入主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部而造成部件的磨損失效[3]。盾構(gòu)機(jī)在地下掘進(jìn)施工過(guò)程中，主驅(qū)動(dòng)密封圈無(wú)法在隧道洞室內(nèi)進(jìn)行更換[4]，如果出現(xiàn)密封圈損壞或因磨損而間隙過(guò)大等問(wèn)題，會(huì)造成主軸承齒輪油泄漏或泥砂顆粒進(jìn)入齒輪箱，引起主軸承或齒輪損壞，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)癱瘓，給盾構(gòu)工程造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失及給施工人員帶來(lái)非常嚴(yán)重的安全問(wèn)題。因此，主驅(qū)動(dòng)密封圈的結(jié)構(gòu)和性能是影響盾構(gòu)機(jī)使用壽命的重要因素。

盾構(gòu)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中工況環(huán)境復(fù)雜，其主驅(qū)動(dòng)密封圈目前面臨的主要問(wèn)題包括：（1）由于渣土含砂量高、密封承受的水土壓力高等苛刻條件，導(dǎo)致其密封性能不佳，使用壽命較短；（2）由于密封結(jié)構(gòu)、安裝方式及配套結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致其密封性能不佳；（3）由于材料的性能限制，導(dǎo)致其密封耐高壓能力不足；（4）由于尺寸較大，對(duì)成型模具要求較高，其生產(chǎn)過(guò)程較為復(fù)雜。因此，盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)密封圈應(yīng)滿(mǎn)足耐水、耐磨、耐霉菌、耐油脂、強(qiáng)度高、壓縮變形小等性能要求，故而該密封圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材質(zhì)選擇和性能提升研究引起了廣泛關(guān)注。

聚氨酯（PU）由異氰酸酯和羥基化合物聚合而成，由于含強(qiáng)極性的氨基甲酸酯基，不溶于非極性溶劑，因此PU密封件的耐磨、耐高壓、耐老化和耐油等性能遠(yuǎn)優(yōu)于其他彈性體密封件[4-9]，在一定的工作壓力和溫度范圍內(nèi)，不僅具有良好的密封性能，而且隨著密封壓力的增大還能自動(dòng)調(diào)節(jié)密封性能。

本工作從結(jié)構(gòu)仿真、材料選擇、生產(chǎn)設(shè)備和工藝、產(chǎn)品評(píng)價(jià)系統(tǒng)以及實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證等方面對(duì)盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)超大PU密封圈（簡(jiǎn)稱(chēng)PU密封圈）進(jìn)行研究。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

目前國(guó)外盾構(gòu)機(jī)的主軸承密封圈均采用骨架式唇形密封圈，常見(jiàn)的唇形密封圈有單唇形密封圈、帶壓緊環(huán)唇形密封圈和多唇形密封圈[10]（結(jié)構(gòu)如圖1所示）。唇形密封圈的工作面為唇口，在壓力的作用下，唇口與密封面緊密貼合；與擠壓型密封圈相比，唇形密封圈具有更強(qiáng)的自緊作用，且壓緊環(huán)的使用進(jìn)一步加強(qiáng)了其自緊效果。密封圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要保證密封唇口有較好的跟隨性，使其與旋轉(zhuǎn)軸有最佳的接觸角度，在保證密封效果的同時(shí)減小唇口的動(dòng)接觸面積，最大程度地降低摩擦發(fā)熱和減小唇口磨損，使密封圈能較好地適用于各種壓力工況[11-12]。

圖1 常見(jiàn)的唇形密封圈結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of common lip-shaped sealing ring structures

1.2 邊界條件設(shè)定

在制備盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)密封圈之前，可利用有限元分析和多參數(shù)模擬技術(shù)，通過(guò)優(yōu)化和聯(lián)合各項(xiàng)參數(shù)，使密封圈達(dá)到更高標(biāo)準(zhǔn)，避免其引發(fā)事故[13-15]。

本工作模型為多唇形（四唇形）PU密封圈，利用有限元分析軟件Ansys對(duì)其進(jìn)行分析，研究外界壓力（P1）、內(nèi)部壓力（P2）、壓縮量以及旋轉(zhuǎn)線(xiàn)速度下密封圈唇口與殼體的接觸形式、各個(gè)部位的形變和應(yīng)力分布等，為盾構(gòu)機(jī)用PU密封圈的設(shè)計(jì)提供參考。

1.3 仿真分析

四唇形PU密封圈的安裝示意見(jiàn)圖2。使用介質(zhì)為油脂、泥水和砂石等，被密封面為金屬殼體。

圖2 四唇形PU密封圈的安裝示意Fig.2 Intallation diagram of four lip-shaped PU sealing ring

在溫度為常溫，P2為0 MPa，旋轉(zhuǎn)線(xiàn)速度為100 m·min-1，P1分別為0.5，1.0，1.5，2.0和2.5 MPa時(shí)，PU密封圈的4唇與殼體緊密貼合，唇形部位變形最大。

四唇形PU密封圈的應(yīng)力和應(yīng)變分布分別如圖3和4所示（P1為2.5 MPa）。

圖3 四唇形PU密封圈應(yīng)力分布云圖Fig.3 Stress nephogram of four lip-shaped PU sealing ring

圖4 四唇形PU密封圈應(yīng)變分布云圖Fig.4 Strain nephogram of four lip-shaped PU sealing ring

從圖3可以看出，四唇形PU密封圈的最大接觸應(yīng)力位于第2唇壓第3唇處。

根據(jù)有限元分析結(jié)果，對(duì)四唇形密封圈的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出建議：PU密封圈的第4唇與密封圈壓環(huán)接觸，當(dāng)P1較大且動(dòng)態(tài)變化時(shí)，壓環(huán)對(duì)密封圈的第4唇可造成戳傷，因此應(yīng)將壓環(huán)設(shè)計(jì)為圓角。

2 PU彈性體制備

2.1 主要原材料

聚醚多元醇，牌號(hào)PG-010，日本三菱化學(xué)公司產(chǎn)品；聚己內(nèi)酯多元醇，牌號(hào)PD-01，日本大賽璐公司產(chǎn)品；己二酸聚酯多元醇，牌號(hào)PBA-110，華大化學(xué)集團(tuán)有限公司產(chǎn)品；甲苯二異氰酸酯（TDI）、二苯甲烷二異氰酸酯（MDI）和異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI），煙臺(tái)萬(wàn)華聚氨酯股份有限公司產(chǎn)品。

2.2 主要設(shè)備和儀器

混合反應(yīng)釜、分子混合型澆注機(jī)、接口機(jī)、測(cè)厚儀、邵氏硬度計(jì)、萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)、沖擊回彈儀、阿克隆磨耗儀和老化試驗(yàn)箱。

2.3 預(yù)聚物合成

在裝有溫度計(jì)、攪拌器和真空尾接管的反應(yīng)釜中加入多元醇，在溫度為100～120 ℃和壓力為－0.096 MPa下體系脫水1～1.5 h后降溫至50℃以下并加入二異氰酸酯，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下于溫度80～85 ℃下反應(yīng)4 h，測(cè)量異氰酸酯基（—NCO）質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在—NCO質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到理論值后，體系真空脫氣泡并降溫密封，得到預(yù)聚物。

2.4 彈性體固化成型

將預(yù)聚物和擴(kuò)鏈劑分別加入澆注機(jī)的A料罐和B料罐中。當(dāng)A料罐和B料罐的溫度達(dá)到設(shè)定溫度后打循環(huán)20～30 min，并按照計(jì)量比對(duì)A組分和B組分進(jìn)行標(biāo)定，達(dá)到計(jì)量比后即可將在機(jī)頭混合均勻的料澆注到模具中，常溫固化4 h后在100 ℃烘箱中熟化12 h后，得到試樣。

2.5 結(jié)果與討論

2.5.1 二異氰酸酯選擇

以聚醚多元醇和二異氰酸酯為原料，制備—NCO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.5%的預(yù)聚物，后經(jīng)擴(kuò)鏈劑擴(kuò)鏈合成PU彈性體。

不同二異氰酸酯的PU彈性體物理性能如表1所示。

表1 不同二異氰酸酯的PU彈性體的物理性能Tab.1 Physical properties of PU elastomers with different diisocyanates

從表1可以看出，二異氰酸酯對(duì)PU彈性體的物理性能有較大影響。在預(yù)聚物—NCO質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的情況下，TDI基彈性體的硬度最大，拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率和撕裂強(qiáng)度略小于MDI基彈性體，原因是TDI與其擴(kuò)鏈劑二鄰氯二苯胺甲烷（MOCA）相互作用，MOCA分子中含有的兩個(gè)苯環(huán)和氨基與異氰酸酯基反應(yīng)形成脲基，脲基可形成雙氫鍵，從而賦予彈性體較大的硬度和剛性；IPDI分子為不對(duì)稱(chēng)的脂環(huán)族結(jié)構(gòu)且兩個(gè)—NCO的活性相差較大，導(dǎo)致其綜合性能均較差；MDI基彈性體的擴(kuò)鏈劑為1，4-丁二醇，其分子中不含苯環(huán)，且羥基與—NCO反應(yīng)形成的氨基甲酸酯基僅形成單氫鍵，而MDI結(jié)構(gòu)中含有對(duì)稱(chēng)的雙苯環(huán)，其硬段易于聚集并產(chǎn)生一定程度的微相分離，因此MDI基彈性體的拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率和撕裂強(qiáng)度均大于TDI彈性體，表現(xiàn)出較好的綜合性能。

2.5.2 多元醇選擇

MDI和不同多元醇合成的PU彈性體的物理性能如表2所示。

從表2可以看出：PG-010基彈性體的硬度和撕裂強(qiáng)度最小，這是由于聚醚多元醇結(jié)構(gòu)中醚氧基的極性低于酯基，結(jié)構(gòu)柔順性較好所致；PD-01和PBA-110結(jié)晶性較強(qiáng)，其彈性體的硬度和撕裂強(qiáng)度均大于PG-010基彈性體，且PD-01和PBA-110基彈性體的拉伸強(qiáng)度相近；PG-010和PD-01基彈性體的壓縮永久變形小于PBA-110基彈性體是由于聚醚多元醇和聚己內(nèi)酯多元醇分子鏈的柔順性和彈性較好；PG-010基彈性體的阿克隆磨耗量略大于其他兩種多元醇基彈性體是由于醚氧基的極性和內(nèi)聚力較酯基低所致。

表2 不同多元醇的PU彈性體的物理性能Tab.2 Physical properties of PU elastomers with different polyols

PU彈性體的耐介質(zhì)性能主要取決于多元醇。不同多元醇合成的PU彈性體在70 ℃水中浸泡不同時(shí)間的性能變化如圖5所示。

圖5 PU彈性體在70 ℃水中浸泡不同時(shí)間的性能變化Fig.5 Property variation of PU elastomers soaking in 70 ℃ water for different time

從圖5可以看出：PG-010基彈性體的吸水率和撕裂強(qiáng)度保持率最大，拉伸強(qiáng)度保持率與PD-01基彈性體相當(dāng)，說(shuō)明其耐水性最好；其硬度保持率小于PD-01基彈性體是由于醚基的吸水率高于酯基，所吸收的水分起到增塑劑的作用。

從工藝角度考慮，PD-01和PBA-110合成的預(yù)聚物粘度較大，澆注時(shí)物料流動(dòng)性差，凝膠時(shí)間短，工藝性能較差；而PG-010合成的預(yù)聚物粘度較低，釜中壽命長(zhǎng)，工藝性能好。因此，制備盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)密封圈PU彈性體的多元醇首選PG-010。

無(wú)論是從生產(chǎn)工藝還是從盾構(gòu)機(jī)使用工況的適用性來(lái)講，選擇PG-010與MDI合成的PU彈性體制備主驅(qū)動(dòng)密封圈較為適合。

3 生產(chǎn)設(shè)備和工藝的改進(jìn)

在盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)PU密封圈的成型過(guò)程中，濕氣和車(chē)間的粉塵會(huì)使密封圈的表面形成氣泡、針孔和凹坑等缺陷，針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題提出改進(jìn)措施如下。

（1）對(duì)盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)PU密封圈超凈生產(chǎn)車(chē)間進(jìn)行改造，確保生產(chǎn)環(huán)境的潔凈和恒溫恒濕，使生產(chǎn)車(chē)間潔凈度達(dá)到10萬(wàn)級(jí)。

（2）使用具有高精度分子混合型澆注機(jī)和具有溫度自補(bǔ)償功能的連續(xù)硫化機(jī)，配備高精度溫度、時(shí)間、速度控制系統(tǒng)，將自動(dòng)計(jì)量澆注工藝、連續(xù)硫化工藝、整體成型工藝、恒溫補(bǔ)償工藝和精控模具尺寸形成有機(jī)結(jié)合，形成了一整套工藝可控的PU密封圈連續(xù)化生產(chǎn)線(xiàn)，所得產(chǎn)品基本無(wú)外觀缺陷，產(chǎn)品質(zhì)量、尺寸精度和綜合性能得到明顯提高。將本研制盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)PU密封圈與兩款進(jìn)口同規(guī)格密封圈進(jìn)行比較（見(jiàn)表3）可以看出，本研制PU密封圈的性能均達(dá)到或超過(guò)進(jìn)口密封圈水平，可完全滿(mǎn)足盾構(gòu)機(jī)的使用要求。

表3 盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)密封圈的性能比較Tab.3 Property comparison of main drive sealing rings of shield machine

（3）為評(píng)價(jià)盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)PU密封圈的使用性能，自制了近工況模擬檢測(cè)平臺(tái)以評(píng)測(cè)密封圈動(dòng)/靜態(tài)的最大承壓能力和背部開(kāi)啟能力及磨損情況，利用壓縮疲勞測(cè)試機(jī)對(duì)連續(xù)硫化重點(diǎn)部位進(jìn)行測(cè)試，得出主驅(qū)動(dòng)PU密封圈產(chǎn)品常規(guī)疲勞壽命為90萬(wàn)次。

通過(guò)上述一系列的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制備、評(píng)價(jià)和應(yīng)用驗(yàn)證，形成了具有國(guó)際先進(jìn)水平的盾構(gòu)機(jī)PU密封圈連續(xù)硫化生產(chǎn)技術(shù)。

4 工程應(yīng)用

為檢驗(yàn)盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)PU密封圈在實(shí)際工程中的應(yīng)用性能，將本研制PU密封圈首先應(yīng)用于蘭州地鐵穿越黃河泥水盾構(gòu)施工工程[見(jiàn)圖6（a）]，PU密封圈顯示了良好的密封、耐水和耐磨性能，克服了工作面鵝卵石含量大、砂石粒徑大、強(qiáng)度高及含水量大的問(wèn)題。目前，本研制PU密封圈已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)隧道工程施工[見(jiàn)圖6（b）]。

圖6 實(shí)際工程應(yīng)用的盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)PU密封圈Fig.6 Main drive PU sealing rings of shield machines for practical engineering application

5 結(jié)論

（1）通過(guò)有限元仿真技術(shù)，對(duì)盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)PU密封圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。

（2）研究了主要原材料對(duì)PU彈性體性能的影響。

（3）通過(guò)對(duì)超凈生產(chǎn)車(chē)間的改造、連續(xù)化生產(chǎn)設(shè)備和工藝配套、產(chǎn)品評(píng)測(cè)平臺(tái)建立，使盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)PU密封圈的產(chǎn)品性能、尺寸和質(zhì)量得到嚴(yán)格把控。本研制PU密封圈在蘭州地鐵穿越黃河泥水盾構(gòu)施工和國(guó)內(nèi)其他隧道工程施工中均獲得良好的應(yīng)用效果。