某盾構(gòu)主軸承油脂消耗分析與控制

李大偉，趙新合

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司專用設(shè)備中心，河南 洛陽 471009)

某盾構(gòu)主軸承油脂消耗分析與控制

李大偉，趙新合

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司專用設(shè)備中心，河南 洛陽 471009)

針對某盾構(gòu)主軸承HBW、EP2油脂耗量過大的問題，通過分析計算油脂理論消耗量與現(xiàn)場統(tǒng)計盾構(gòu)主軸承油脂實際消耗量，得出HBW、EP2油脂的實際消耗量與理論消耗量的比值分別為2.6,3.1。從主軸承密封結(jié)構(gòu)、油脂注入系統(tǒng)原理、油脂注入程序設(shè)置、管路布置、執(zhí)行元件性能等多個方面進(jìn)行詳細(xì)分析，總結(jié)出控制程序設(shè)計不合理、油脂泵壓力設(shè)定不當(dāng)?shù)仍斐捎椭牧窟^大的主要原因，并提出相應(yīng)改進(jìn)措施，為設(shè)備使用和廠家后續(xù)設(shè)備優(yōu)化、改造提供參考。

盾構(gòu)；主軸承油脂；消耗量；改進(jìn)措施

0 引言

盾構(gòu)施工中，油脂類消耗材料的成本在施工成本中占有較大的比重。標(biāo)準(zhǔn)地鐵盾構(gòu)每延米的油脂消耗量在1千元左右，消耗的主要油脂包括主軸承潤滑密封油脂HBW、EP2和盾尾密封油脂。盾尾密封油脂國產(chǎn)化程度比較高，價格相對便宜；主軸承潤滑密封油脂HBW、EP2則主要依靠進(jìn)口，價格昂貴[1-3]。某外國制造的盾構(gòu)自進(jìn)入中國市場以來，普遍反映主軸承油脂消耗量過大，甚至達(dá)到其他廠家盾構(gòu)的2～3倍，導(dǎo)致使用方施工成本大大增加。在地鐵盾構(gòu)施工利潤日益低薄的情況下，減小油脂耗材的消耗量，是減少施工成本、提高利潤率不可忽視的環(huán)節(jié)。朱祖熹[4]對中、日、法等國3種典型盾尾密封油脂的性能指標(biāo)與密封功效進(jìn)行了對比分析，并提出了相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)化已勢在必行的觀點；王成偉等[5]結(jié)合實際盾尾油脂使用記錄，對各種油脂使用情況進(jìn)行了比較分析，總結(jié)出在不同條件下油脂的選擇及使用方法；陳閩杰等[6]針對某大型盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)的異常振動問題，對主軸承潤滑系統(tǒng)及密封方式進(jìn)行了研究；張紅星等[7]基于對小松盾構(gòu)機(jī)主軸承油脂密封磨損進(jìn)行修復(fù)的經(jīng)驗，對主軸承油脂密封面修理技術(shù)進(jìn)行了分析與總結(jié)；張志鵬等[8]等針對某大型盾構(gòu)主軸承出現(xiàn)的油液污染和泄漏等故障現(xiàn)象，剖析主軸承潤滑系統(tǒng)及密封方式，研究分析了造成主軸承潤滑與密封系統(tǒng)故障的原因；王寶佳[9]針對中鐵6號盾構(gòu)施工中多次因出現(xiàn)30 L油脂桶內(nèi)油脂不足而導(dǎo)致多點泵無法開啟的故障現(xiàn)象進(jìn)行了研究分析。前人關(guān)于盾構(gòu)主軸承油脂系統(tǒng)的研究主要集中在油脂密封性能指標(biāo)、密封系統(tǒng)故障分析及處理等方面。本文將對該廠家盾構(gòu)主軸承密封結(jié)構(gòu)和導(dǎo)致油脂耗量過大的主要原因進(jìn)行詳細(xì)分析，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，為設(shè)備使用方和廠家后續(xù)進(jìn)行設(shè)備的優(yōu)化、改造提供參考。

1 油脂消耗量對比分析

1.1 主軸承密封結(jié)構(gòu)

該廠家盾構(gòu)主軸承結(jié)構(gòu)采用中心固定隔板形式(中心部位固定，不與刀盤一起旋轉(zhuǎn))。主軸承密封系統(tǒng)由內(nèi)、外各3道四指密封組成(見圖1)，外加與刀盤法蘭連接的迷宮密封結(jié)構(gòu)，形成了具有3個腔室的完整主軸承密封系統(tǒng)。后2個腔室通過主軸承外圈的油道注入EP2油脂，迷宮結(jié)構(gòu)的腔室通過主軸承外圈的油道注入HBW油脂。通過循環(huán)不斷地注入油脂，確保主軸承良好的潤滑與密封效果。

圖1 主軸承密封結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of sealing of main bearing

1.2 油脂理論消耗量分析計算

HBW油脂理論消耗量可采用該廠家提供的式(1)計算：

Q=πDeS×0.5/1 000。

(1)

式中：Q為單位時間注入量，cm3/min；D為主軸承密封直徑，mm；e為迷宮密封外側(cè)間隙，mm；S為刀盤旋轉(zhuǎn)速度，r/min；0.5為油膜厚度。

EP2的理論消耗量為HBW消耗量的20%～30%。

以某地鐵項目6.28 m直徑土壓平衡盾構(gòu)為例，計算油脂的理論消耗量。國內(nèi)一般地層的掘進(jìn)速度控制在1～1.5 r/min，此處刀盤旋轉(zhuǎn)速度按照最大值1.5 r/min計算。

外密封直徑：2 744 mm；

內(nèi)密封直徑：2 164 mm；

刀盤轉(zhuǎn)速：1.5 r/min；

迷宮密封間隙：5 mm；

外密封HBW消耗量：QA=3.14×2 744 × 5 × 1.5× 0.5 /1 000=32.3 mL/min；

內(nèi)密封HBW消耗量：QB=3.14×2 164× 5 × 1.5× 0.5 /1 000=25.5 mL/min。

由于HBW內(nèi)密封油脂的同步分配器輸出口為5路，其中4路供給主軸承內(nèi)密封，另外1路通向旋轉(zhuǎn)接頭，所以計算總的注入量需要考慮旋轉(zhuǎn)接頭的消耗量。

HBW密度：1.3 kg/L；

EP2密度：1.1 kg/L；

HBW理論消耗量：Q1=32.3+25.5/4×5= 64.2 mL/min=3.85 L/h=5 kg/h；

EP2理論消耗量：Q2=3.85×30%=1.15 L/h=1.3 kg/h。

1.3 油脂消耗量對比

某項目提供的實際消耗量為: 每環(huán)消耗HBW油脂約6.5 kg，消耗EP2油脂約2 kg。刀盤轉(zhuǎn)速控制在1～1.5 r/min，單環(huán)的平均掘進(jìn)速度為40 mm/min，單環(huán)長度為1 200 mm，則：

每環(huán)的實際掘進(jìn)時間t=1 200/40=30 min=0.5 h；

通過對比分析，得出油脂理論消耗量與實際消耗量之間的關(guān)系如表1所示。

表1 油脂消耗量關(guān)系對比Table 1 Grease consumption quantities

2 主軸承密封油脂注入原理

油脂注入系統(tǒng)分為HBW油脂注入系統(tǒng)和EP2油脂注入系統(tǒng)。油脂注入系統(tǒng)主要由氣動油脂泵、氣動閥/電磁閥、油脂同步分配器、脈沖計數(shù)器、節(jié)流閥、壓力傳感器等元器件組成(見圖2)。

油脂注入分為手動模式和自動模式。手動模式在設(shè)備測試和強(qiáng)制性注入時使用；自動模式在設(shè)備正常掘進(jìn)時使用。手動模式主要用于油脂系統(tǒng)的調(diào)試和設(shè)備的檢測與檢修。在手動模式下，通過手動打開控制室的油脂氣動按鈕，氣動油脂泵1的電磁閥6得電啟動油脂泵，同時HBW氣動閥2(或EP2電磁閥5)得電并接通，油脂通過管路輸送到同步分配閥4(或7)中。當(dāng)油脂壓力超過分配閥的開啟壓力時，分配閥開始工作，分配閥多路出口開始等量輸出油脂，通過管路輸送到主軸承密封腔內(nèi)，同時脈沖傳感器3(或8)同步記錄脈沖數(shù)并反饋給PLC，PLC計算油脂注入量并將數(shù)據(jù)顯示到監(jiān)控電腦上。

(a) HBW油脂注入系統(tǒng)

(b) EP2油脂注入系統(tǒng)

1—氣動油脂泵；2—HBW氣動閥；3—HBW脈沖傳感器；4—HBW分配閥；5—節(jié)流閥；6—電磁閥；7—EP2分配閥；8—EP2脈沖傳感器。

圖2油脂注入原理圖
Fig.2 Grease injection circuit

油脂自動注入模式用于盾構(gòu)的正常開挖。油脂注入系統(tǒng)和刀盤控制系統(tǒng)之間具有聯(lián)鎖關(guān)系，即刀盤啟動時油脂注入系統(tǒng)便自動運行。油脂注入系統(tǒng)進(jìn)入自動運行狀態(tài)后，油脂泵1被打開，同時HBW氣動閥2(或EP2電磁閥5)得電并接通，油脂分配器4(或7)開始輸送油脂到密封腔內(nèi)。此時，程序開始計時，并記錄由脈沖傳感器3(或8)反饋的脈沖數(shù)。當(dāng)脈沖數(shù)達(dá)到設(shè)定值時，HBW氣動閥2(或EP2電磁閥5)將自動關(guān)閉，等待下一個注入周期。如果在設(shè)定周期內(nèi)未檢測到設(shè)定脈沖數(shù)，程序?qū)⒔o出脈沖數(shù)不夠的警報；如果連續(xù)3個循環(huán)未檢測到設(shè)定脈沖數(shù)，程序?qū)⒅苯咏o出脈沖數(shù)不夠錯誤，刀盤將強(qiáng)制停轉(zhuǎn)，以保護(hù)主軸承密封。油脂自動注入模式流程見圖3。

HBW注入到迷宮密封，通過迷宮密封直接擠出到開挖艙內(nèi)。必須確保迷宮密封內(nèi)油脂壓力大于開挖艙內(nèi)的土壓力，才能確保油脂的正常溢出。為確保軸承密封的使用安全，對HBW的注入增加一個保護(hù)環(huán)節(jié)：當(dāng)檢測到實際脈沖數(shù)達(dá)到設(shè)定脈沖數(shù)后，還需要將HBW壓力與土壓傳感器壓力做比較：如果HBW壓力小于土壓力+0.03 MPa，將強(qiáng)制注入，直到壓力大于土壓力+0.03 MPa。

圖3 油脂自動注入模式流程圖Fig.3 Flowchart of automatic grease injection mode

3 原因分析

從表1可知，該盾構(gòu)主軸承油脂的實際消耗量與理論消耗量之間存在較大差距。下文將對其主要原因進(jìn)行分析和討論。

3.1 程序設(shè)計不合理

對盾構(gòu)施工現(xiàn)場檢測記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)無論刀盤轉(zhuǎn)速如何變化，油脂的消耗量都維持在同一水平。但是，在正常情況下，油脂的實際消耗量應(yīng)該與刀盤轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系。通過對比分析，得出造成這一現(xiàn)象的原因為該廠家設(shè)計的程序?qū)⒏鱾€分配器的脈沖數(shù)設(shè)定為固定值。如果此設(shè)定值是按照刀盤最大轉(zhuǎn)速設(shè)定的，那么將大大加大油脂的消耗量；如果此設(shè)定值是按照某一中間值設(shè)定的，那么當(dāng)?shù)侗P實際轉(zhuǎn)速小于此轉(zhuǎn)速時將造成油脂浪費，當(dāng)?shù)侗P實際轉(zhuǎn)速大于此設(shè)定轉(zhuǎn)速時又會造成主軸承密封腔內(nèi)供油不足，會嚴(yán)重?fù)p壞主軸承密封。

3.2 油脂泵壓力設(shè)定不當(dāng)

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測，在其他條件不變情況下，調(diào)節(jié)油脂泵出口壓力，壓力越大，油脂的消耗量也會不斷增加。根據(jù)油脂注入原理，當(dāng)PLC檢測到設(shè)定脈沖時，就關(guān)閉氣動閥/電磁閥。對于HBW系統(tǒng)來說，由于流量要求較大，管路直徑較大，因此采用電磁先導(dǎo)氣動閥。而氣動閥的開關(guān)與電氣信號之間有一定的延遲，如果泵出口的壓力越大，在這個延遲時間內(nèi)流過分配閥的流量也就越大，因此增加了油脂消耗量。對于EP2系統(tǒng)來說，由于是直接驅(qū)動，就不存在太大延遲問題。

3.3 元器件安裝位置不合理

通過對現(xiàn)場管路的排查，發(fā)現(xiàn)無論是HBW的氣動閥，還是EP2的電磁閥，安裝位置距離相應(yīng)的分配器均有一段距離(1～5 m)。筆者認(rèn)為此處的間距過大，會導(dǎo)致油脂過量消耗。究其原因，分配器是靠管道內(nèi)的油脂壓力驅(qū)動，當(dāng)壓力超過臨界點時，就會開啟油脂分配閥，當(dāng)氣動閥/電磁閥關(guān)閉后，氣動閥/電磁閥與分配器管道內(nèi)仍有壓力，當(dāng)此壓力超過分配閥的開啟壓力時，油脂將通過分配閥注入到主軸承密封腔內(nèi)。

E=1/βp=-Vdp/dV=VΔp/ΔV,ΔV=V·Δp/E。

(2)

式中：E為油脂的彈性模量(定值)；V為電磁閥/氣動閥與分配器之間油脂管道的體積；Δp為管道殘存壓力與分配器臨界壓力差；ΔV為油脂體積變化量，即關(guān)閉電磁閥/氣動閥后流過分配器的油脂量。

根據(jù)式(2)得出：由于E為定值，電磁閥/氣動閥關(guān)閉后流過分配器的油脂量與壓差和管道體積成正比；由于分配閥臨界壓力為定值，管道體積與長度成正比，所以流過的油脂量只與管道長度、油脂殘存壓力有關(guān)，即管道越長，殘存壓力越大，流過分配閥的流量也越大。

3.4 氣動閥出現(xiàn)故障

在油脂系統(tǒng)工作過程中，HBW油脂系統(tǒng)的氣動先導(dǎo)閥經(jīng)常出現(xiàn)卡閥芯、漏氣等不良現(xiàn)象，導(dǎo)致在給出關(guān)閉電信號后數(shù)秒才能完全關(guān)閉主閥閥芯。如果漏氣嚴(yán)重，甚至不能完全關(guān)閉主閥閥芯。在這種情況下，油脂將不受控制，造成極大浪費。

3.5 迷宮密封間隙過大

根據(jù)油脂消耗計算公式，HBW的消耗量與迷宮密封間隙有很大關(guān)系。該廠家的盾構(gòu)主軸承的迷宮密封間隙為5 mm，而其他廠家則只有3 mm。另外，現(xiàn)場實際測量發(fā)現(xiàn)，由于安裝存在誤差，部分位置的間隙更大，甚至超過10 mm。由于HBW的注入是“流量+壓力”控制方式，迷宮出口處間隙越大，越不容易保壓。結(jié)果需要強(qiáng)制注入油脂，從而將大大增加油脂消耗量。

3.6 人為因素

由于盾構(gòu)泵出口壓力需要根據(jù)土艙壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此，當(dāng)土艙壓力高于軸承密封油脂的注入壓力時，油脂密封效果將會降低。因此，在盾構(gòu)施工過程中，必須保證油脂注入壓力高于土艙壓力。在盾構(gòu)施工過程中，由于部分盾構(gòu)操作司機(jī)責(zé)任心不強(qiáng)，為確保油脂注入壓力高于土艙壓力，將油脂泵的壓力長期保持在較高狀態(tài)，而未根據(jù)土艙壓力的變化進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，從而導(dǎo)致油脂浪費。

4 應(yīng)對措施

1)優(yōu)化PLC程序。在PLC控制程序中，將油脂注入脈沖數(shù)與刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)置成正比例關(guān)系，那么通過流量控制方式注入的油脂量與刀盤轉(zhuǎn)速將有機(jī)結(jié)合起來，避免油脂浪費。圖4為PLC程序優(yōu)化前后油脂消耗量的對比關(guān)系。

圖4 油脂消耗量比較圖Fig.4 Grease consumption quantities before optimization Vs those after optimization

2)合理設(shè)置油脂泵出口壓力?？梢酝ㄟ^外部設(shè)置方式實現(xiàn)。通過調(diào)節(jié)油脂泵的空氣減壓閥的壓力來調(diào)節(jié)油脂泵的出口壓力(EP2還需調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度)。調(diào)節(jié)壓力的大小，應(yīng)以實際消耗量趨近設(shè)定量為標(biāo)準(zhǔn)，但也不應(yīng)該過小；如果過小，會導(dǎo)致脈沖數(shù)不夠報警，甚至錯誤跳停刀盤。

3)及時檢查HBW氣動閥，避免出現(xiàn)發(fā)卡、漏氣等現(xiàn)象。

4)縮短氣動閥/電磁閥與分配器之間的距離，避免殘壓造成油脂的無謂消耗。

5)對于已有設(shè)備，建議在主軸承內(nèi)、外迷宮密封的外側(cè)各增加1道橡膠板，橡膠板通過外圈的鋼壓板和螺柱固定，橡膠板的螺栓孔做成腰形孔，橡膠板與刀盤法蘭之間的間隙設(shè)置為3 mm，有效減小迷宮密封外圍間隙，增加油脂流動的阻尼，能夠有效建立起壓力(見圖5)。避免為了保壓強(qiáng)制注入油脂。在實際操作過程中，需要注意迷宮密封腔內(nèi)的壓力：如果壓力過小，應(yīng)適當(dāng)調(diào)小間隙；如果壓力過大，應(yīng)適當(dāng)調(diào)大間隙，避免對主軸承密封造成損傷。對于廠家新制設(shè)備，建議從源頭上減小迷宮密封的間隙，以減小油脂消耗。

圖5 迷宮密封改造圖Fig.5 Optimized labyrinth seal

5 結(jié)論與討論

該廠家盾構(gòu)油脂消耗量過大，既有設(shè)備本身程序設(shè)置的問題，也有現(xiàn)場實際操作的問題。根據(jù)現(xiàn)場實地操作經(jīng)驗及理論分析，得出了相應(yīng)的優(yōu)化、改進(jìn)措施，能夠?qū)BW、EP2油脂的消耗降低到理論消耗量水平上，進(jìn)而有效減少施工耗材成本。

本文能夠?qū)κ褂迷搹S家盾構(gòu)的用戶提供參考，將油脂消耗控制在合理水平；也能為盾構(gòu)制造廠家在優(yōu)化、改進(jìn)設(shè)備方面提供參考。

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AnalysisandControlofGreaseConsumptionofMainBearingofaShield

LI Dawei，ZHAO Xinhe
(Tunneling-dedicatedEquipmentCenter,ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

The consumption quantities of HBW and EP2 of the main bearing of a shield are too high.The ratios between the actual consumption quantities of HBW and EP2 and the theoretical values are 2.6 and 3.1 respectively.The reasons for the high grease consumption quantities are analyzed in terms of the sealing structure of the main bearing,the principle of the grease injection system,the setting of the grease injection control program,the layout of the grease injection circuit and the performance of the grease injection devices.It is concluded that the improper design of the grease injection control program and the improper setting of the pressure of the grease pumps are main reasons for the high grease consumption quantities.Furthermore,optimization measures are proposed to reduce the grease consumption quantities.The paper can provide reference for shield users and shield manufacturers.

main bearing; grease; consumption; optimization measures

2013-10-14;

2013-11-15

李大偉(1982—)，男，河南鄧州人，2006年畢業(yè)于重慶交通大學(xué)，機(jī)電一體化專業(yè)，本科，助理工程師，從事盾構(gòu)/TBM技術(shù)服務(wù)及管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.01.014

U 455

A

1672-741X(2014)01-0083-05