TBM主軸承密封滑道設(shè)計(jì)及安裝工藝

張　嘯，賀　飛，李普慶，趙振威

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州　450016)

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TBM主軸承密封滑道設(shè)計(jì)及安裝工藝

張嘯，賀飛，李普慶，趙振威

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州450016)

摘要：針對(duì)TBM主軸承密封滑道加工工藝復(fù)雜及滑道易磨損致使主軸承非正常失效的問題，提出利用熱裝司太立(Stellite)耐磨薄板代替碳鋼淬火設(shè)計(jì)密封滑道的方法，并依據(jù)司太立耐磨薄板的特點(diǎn)，提出合理的焊接、安裝工藝，成功地將密封滑道安裝在支撐環(huán)件上。在制造過程中，熱裝耐磨密封滑道工藝簡(jiǎn)單，節(jié)省了密封滑道熱處理所需的費(fèi)用及時(shí)間。在工程應(yīng)用中，耐磨滑道表面始終沒有出現(xiàn)裂紋，且磨損量小，提高了密封滑道的耐磨性及TBM主軸承密封系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞：TBM；主軸承；密封滑道；司太立耐磨薄板

0引言

TBM施工工法在我國(guó)廣泛地應(yīng)用于城市地鐵、山嶺隧道及引水隧道工程中。通常情況下，由于TBM施工距離長(zhǎng)，隧道埋深大，故主軸承密封系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，洞內(nèi)維修困難，所以要求主軸承密封系統(tǒng)要有很高的可靠性。主軸承密封作為TBM的關(guān)鍵部件，正常使用時(shí)，通過注入油脂對(duì)密封進(jìn)行潤(rùn)滑，但即便這樣仍會(huì)在滑道上磨出凹槽。當(dāng)滑道被磨損到一定程度時(shí)，水及渣土進(jìn)入主軸承，導(dǎo)致主軸承加速磨損而提前失效。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于主軸承密封系統(tǒng)的研究較多。如文獻(xiàn)[1]分析了TBM密封系統(tǒng)失效的原因；文獻(xiàn)[2-5]提出了軸承密封損壞后的維修方法；文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]從裝配、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、操作維護(hù)等方面提出了提高密封系統(tǒng)可靠性的措施。

本文從提高密封滑道耐磨性入手，通過對(duì)不同材料屬性的對(duì)比分析，選擇一種耐磨性能更優(yōu)的材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)耐磨滑道。根據(jù)材料特性，對(duì)驅(qū)動(dòng)密封滑道進(jìn)行新設(shè)計(jì)，并提出新工藝，進(jìn)而提高密封滑道的耐磨性及可靠性。通過實(shí)際工程案例，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的可行性。

1司太立(Stellite)合金

TBM驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)常選用唇形密封。為增加密封滑道的耐磨性，常使用淬火碳鋼作為耐磨滑道，要求淬火碳鋼表面硬度為55～60 HRC，且硬度均勻。司太立耐磨滑道安裝見圖1。TBM密封滑道直徑較大，一般的淬火工藝很難達(dá)到要求。

司太立合金是以鈷、鉻、鎢為主要元素的銀白色合金，該合金具有良好的耐滑動(dòng)磨損性及抗咬合性[8]，摩擦系數(shù)較低[9]。司太立鈷基合金與調(diào)質(zhì)后的SAE1090(相當(dāng)于85彈簧鋼)耐磨性對(duì)比見表1[10]。

司太立合金具有良好的耐磨性，已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，但是該材料較普通碳鋼價(jià)格高，一般只作為表面硬化、耐磨材料。大型零件使用司太立合金提高耐磨性，都是通過在工作表面進(jìn)行堆焊。目前，表面堆焊技術(shù)較成熟，但需要專門的焊接設(shè)備和具備相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)焊接技術(shù)人員操作，且焊接工藝復(fù)雜[11-12]。TBM密封滑道結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)單圓環(huán)狀，滑道受力小，使用過程中只需要表面1～2 mm具有耐磨性，其余部分只起支撐作用。因此，在設(shè)計(jì)TBM主軸承密封系統(tǒng)時(shí)，可將司太立薄板焊成圓環(huán)，過盈配合裝配到支撐圓環(huán)上(見圖1)，這樣既可以保證滑道表面的耐磨性，又可以節(jié)省專業(yè)設(shè)備、人員及加工費(fèi)用。

圖1　司太立耐磨滑道安裝

Table 1Comparison between Stellite alloy and SAE1090 in terms of wear resistance

材料名稱材料狀態(tài)屈服強(qiáng)度/MPa材料硬度/HRC磨粒磨損系數(shù)粘合磨損系數(shù)司太立合金軋制正火632380.471×10-33.7×10-5SAE1090調(diào)質(zhì)930558×10-36×10-5

注：材料的耐磨性用磨損系數(shù)來衡量，磨損系數(shù)為材料在單位負(fù)荷作用下滑動(dòng)單位距離所引起的體積磨損，磨損系數(shù)測(cè)量見文獻(xiàn)[10]。

2耐磨滑道設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1耐磨滑道內(nèi)徑計(jì)算

耐磨滑道與密封支撐環(huán)間需要有一定的過盈量，該過盈量不僅可以使滑道緊貼在支撐環(huán)上，防止滑道移動(dòng)，還可以避免滑道表面凸起及凹坑，使密封與滑道能均勻接觸。如果過盈量選擇偏小，使用過程中，由于溫度升高、振動(dòng)等原因會(huì)導(dǎo)致耐磨滑道脫落；而過盈量選擇過大，會(huì)導(dǎo)致耐磨滑道安裝困難，或安裝后耐磨滑道受張力過大而斷裂。因此，需要對(duì)耐磨滑道的內(nèi)徑進(jìn)行精確計(jì)算。

設(shè)耐磨滑道支撐環(huán)外徑為D，耐磨滑道內(nèi)徑為d，則滑道熱裝到支撐環(huán)后的伸長(zhǎng)量

Δl=π(D-d)。

(1)

此時(shí)，司太立耐磨滑道所受的應(yīng)力

σ=E·Δl/π·d=E·(D-d)/d。

(2)

此應(yīng)力σ應(yīng)小于司太立材料的屈服強(qiáng)度σs。為了防止安裝后耐磨滑道因張力過大而斷裂，取安全系數(shù)s，計(jì)算得到耐磨滑道的內(nèi)徑為

d=E·D·s/(s·E+σs)。

(3)

所以，滑道支撐環(huán)與耐磨滑道間的過盈量

Gain（生源地）＝I（S1，S2，S3，S4）-E（生源地）＝1·972048-1·85877＝0·113278

ΔD=σs·D/(s·E+σs)。

(4)

2.2耐磨滑道熱裝溫度計(jì)算

耐磨滑道熱裝時(shí)，若加熱溫度過低，則熱膨脹量不夠，無法安裝；若加熱溫度過高，會(huì)使合金材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響耐磨性能。耐磨滑道熱裝溫度計(jì)算公式為

T=(ΔD+δ)/(α×d)+T0。

(5)

式中:α為司太立材料線膨脹系數(shù)；δ為熱裝時(shí)的間隙，一般取直徑D的0.9‰～1.4‰[13]；T0為環(huán)境溫度。

3耐磨滑道加工及安裝工藝

3.1司太立耐磨滑道拼接主要工藝

根據(jù)上述計(jì)算，將合金材料焊接成圓環(huán)，薄板在焊接試驗(yàn)過程中，通常會(huì)出現(xiàn)焊縫縮根、焊縫錯(cuò)臺(tái)、焊縫彎曲與焊縫扭曲等缺陷[14-15]，見圖2。唇形密封要求滑道表面具有較高的圓度及光潔度，合金材料自身表面粗糙度可以滿足要求，但滑道焊縫處需要打磨及拋光。另外，由于驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)的重要性，因此，每條焊縫必須經(jīng)過嚴(yán)格探傷。

(a) 彎曲變形

(b) 焊縫錯(cuò)臺(tái)

通過不斷地改進(jìn)焊接試驗(yàn)，總結(jié)出以下焊接方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫質(zhì)量的控制。

1)設(shè)計(jì)工裝，用于壓緊薄板，防止焊接過程中發(fā)生變形；

2)焊接前將壓緊工裝及耐磨薄板一同預(yù)熱至40～60 ℃，防止焊接后溫度降低過快；

3)焊材使用耐磨性與韌性較好的司太立鈷基6號(hào)焊絲；

4)采用單面焊接雙面成型的焊接工藝；

5)在正式焊接前，先在薄板兩端及中間多處點(diǎn)焊，整個(gè)焊接過程采用氬弧焊接；

6)焊接過程中注意控制焊接電流，電流太大容易造成大的焊接變形，電流太小容易焊不透，根據(jù)實(shí)際焊接效果，控制焊接電流在50 A左右；

7)整個(gè)工裝及焊縫需石棉保溫冷卻后，再拆卸工裝；

8)檢查焊接成形質(zhì)量，要求薄板無錯(cuò)臺(tái)及彎曲變形；

9)焊縫打磨后測(cè)量硬度，要求焊縫處硬度不低于40 HRC；

10)對(duì)打磨后的焊縫進(jìn)行RT探傷，要求焊縫處無氣孔、焊渣、縮孔等缺陷，之后對(duì)焊縫進(jìn)行拋光。

3.2司太立耐磨滑道熱裝主要工藝

耐磨滑道熱裝過程中，要注意環(huán)件厚度小、溫度降低速度快的特點(diǎn)，安裝過程要求一次性快速完成。主要工藝如下：

1)熱裝場(chǎng)地選擇在空氣流動(dòng)相對(duì)較小的區(qū)域；

2)根據(jù)外界環(huán)境溫度，可將支撐環(huán)適當(dāng)預(yù)熱至20～30 ℃；

3)由4—6人使用加熱槍多點(diǎn)均勻加熱薄環(huán)件，加熱溫度為150～300 ℃；

4)耐磨滑道加熱到要求溫度后，由4—6人使用鉗子將耐磨滑道抬至支撐環(huán)上方10 cm處，停止加熱后，立即同時(shí)將滑道放置到位，要求動(dòng)作快而準(zhǔn)確；

5)檢查耐磨環(huán)是否安裝到位，檢查耐磨環(huán)與支撐環(huán)間是否存在間隙，要求耐磨環(huán)與支撐環(huán)緊密貼合，不得有縫隙。

4工程實(shí)例

以重慶地鐵φ6 390 mm敞開式TBM為例，該TBM最大推力17 888 kN，額定扭矩4 054 kN·m，刀盤最高轉(zhuǎn)速10.3 r/min。外密封滑道支撐環(huán)直徑D=5 400 mm。司太立密封滑道薄板厚度為2 mm，彈性模量E=219 GPa，線膨脹系數(shù)α=14.1×10-6m/m℃，屈服極限σs=632 MPa，設(shè)環(huán)境溫度為20 ℃，取熱裝間隙δ=1.4‰D，安全系數(shù)s=2.8。根據(jù)式(4)，計(jì)算得到拼圓環(huán)后密封滑道內(nèi)徑d=5 394.44 mm。根據(jù)式(5)，計(jì)算得到滑道熱裝前，需要的最終加熱溫度T=192 ℃，實(shí)際操作時(shí)，加熱溫度在200～250 ℃。

按照以上計(jì)算結(jié)果及工藝進(jìn)行焊接及熱裝，并對(duì)焊縫進(jìn)行RT探傷，圖3顯示焊縫無焊接缺陷，滿足要求。密封滑道熱裝后,整個(gè)密封滑道與支撐環(huán)緊密貼合，安裝效果良好，見圖4。

圖3　耐磨滑道焊縫探傷

圖4　密封耐磨滑道熱裝效果

安裝有司太立耐磨密封滑道的TBM在地鐵工程中掘進(jìn)，該設(shè)備主要穿越了砂巖及砂質(zhì)泥巖地層，巖石中等風(fēng)化，圍巖單軸抗壓強(qiáng)度40～82 MPa。掘進(jìn)3.7 km出洞后，拆機(jī)檢查主軸承密封滑道，耐磨滑道使用效果見圖5。滑道最大磨損深度不超過0.05 mm，幾乎無磨痕，大大提高了密封系統(tǒng)的可靠性及滑道的耐磨性。

圖5　密封耐磨滑道使用效果

5結(jié)論與討論

由于計(jì)算合理、工藝措施得當(dāng)，成功地將耐磨滑道安裝到支撐環(huán)上，降低了大直徑TBM密封滑道制造成本及難度。實(shí)際工程掘進(jìn)使用效果驗(yàn)證了該主軸承密封滑道具有良好的耐磨性。利用司太立耐磨薄板制作耐磨滑道，可提高主軸承密封系統(tǒng)的可靠性與壽命。

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Design and Installation Technology of TBM Main Bearing Sealing Slide

ZHANG Xiao,HE Fei,LI Puqing,ZHAO Zhenwei

(China Railway Engineering Equipment Group Co.,Ltd.,Zhengzhou 450016,Henan,China)

Abstract:The manufacturing technologies for TBM main bearing sealing slide are complex;and the main bearing failure will be induced by slide wear.The Stellite wear resistant sheet is used for sealing slide design;and the rational welding and installation technologies of the sheet are presented.The cost and time-needed are saved;the wear resistance of sealing slide is improved and the feasibility of sealing system of TBM main bearing is guaranteed.

Keywords:TBM;main bearing;sealing slide;Stellite wear resistant sheet

收稿日期：2015-05-29;修回日期:2016-03-21

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃“863計(jì)劃”(2012AA041801)

第一作者簡(jiǎn)介：張嘯(1987—)，男，山西大同人，2013年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)從事TBM設(shè)計(jì)工作。E-mail:tbm007@126.com。

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.06.017

中圖分類號(hào)：U 455.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2016)06-0762-04