盾構(gòu)機(jī)主軸承密封跑道形式研究

王小軍

摘 要：盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)密封跑道是一種精密機(jī)械加工件，直徑大，薄壁，與橡膠密封件長(zhǎng)期滑動(dòng)摩擦，在隧洞內(nèi)無(wú)法進(jìn)行更換維修，其性能的可靠程度直接決定了整個(gè)盾構(gòu)機(jī)的可靠性。本文重點(diǎn)論述密封跑道的性能提升方法，隨著我國(guó)表面處理技術(shù)的進(jìn)步，密封跑道的性能得以提升，成本并未提高，具有大規(guī)模推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：摩擦失效；高耐磨；表面處理技術(shù)；再制造

中圖分類號(hào)：U455.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）05-0076-01

1 引言

盾構(gòu)機(jī)廣泛應(yīng)用于城市地鐵、引水隧洞、電力管廊等領(lǐng)域的開挖施工，主驅(qū)動(dòng)裝置是其核心部件。其中主驅(qū)密封提供對(duì)主軸承的保護(hù)，維持軸承腔的清潔，如何提高主驅(qū)密封的壽命和可靠性，是保障整個(gè)驅(qū)動(dòng)性能穩(wěn)定的重要一環(huán)。盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)形式分為中央驅(qū)動(dòng)和中心驅(qū)動(dòng)兩種。因中央驅(qū)動(dòng)傳遞扭矩大，刀盤多點(diǎn)支撐受力均勻，土艙內(nèi)土體攪拌效果好，直徑大于6m的地鐵施工盾構(gòu)機(jī)廣泛采用此種驅(qū)動(dòng)形式，而中心驅(qū)動(dòng)一般僅適用于直徑在4m以下的小型盾構(gòu)機(jī)，本文著重探討中央驅(qū)動(dòng)的密封跑道形式。

密封跑道的表面要求光滑，與密封唇口直接接觸，一般要保持將密封唇口壓緊5mm，在兩道密封之間形成的空腔里不斷向往擠出壓力油脂，將渣土抵擋在外，避免其進(jìn)入密封和軸承區(qū)域。日系和歐系盾構(gòu)機(jī)雖然主驅(qū)密封不盡相同，但其工作原理卻大同小異。本文以日立造船盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)為例，研究其密封跑道的優(yōu)化方法。

2 技術(shù)進(jìn)化

早期日立、石川島等日系機(jī)型，密封跑道與整個(gè)驅(qū)動(dòng)軸承座是一體結(jié)構(gòu)，整體為Q345B材質(zhì)，其與密封接觸的表面工作時(shí)發(fā)生滑動(dòng)摩擦，主要的失效形式是出現(xiàn)磨損溝槽。由于外圈線速度大，所以外圈磨損劇烈，出現(xiàn)磨損后修復(fù)起來(lái)極為繁瑣，整個(gè)軸承座上車床加工需要到具有大型立車的專業(yè)制造廠家進(jìn)行，無(wú)論是經(jīng)濟(jì)性和時(shí)效性都不盡人意。軸承座磨損如下圖1所示。

為了解決密封跑道修復(fù)困難的問(wèn)題，伴隨著技術(shù)進(jìn)步，一種可更換的密封跑道被應(yīng)用在主驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中，如圖2所示。

圖2中件6即為可更換式密封跑道，是圓環(huán)結(jié)構(gòu)，與軸承座之間采用法蘭連接，此密封跑道常規(guī)材質(zhì)為Q345B，成本低廉，無(wú)需熱處理。主驅(qū)大修時(shí)可將密封跑道拆卸下來(lái)，單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行溝槽修復(fù)，依據(jù)對(duì)磨損情況的判斷，一般修復(fù)手段有三種情況：一是輕微磨損時(shí)，可對(duì)磨損局部區(qū)域進(jìn)行手工簡(jiǎn)單堆焊，然后人工打磨光整后使用；二是磨損嚴(yán)重時(shí)，可對(duì)溝槽實(shí)施堆焊，留有加工余量，將整個(gè)圓環(huán)上車床加工至圖紙尺寸后使用；三是磨損劇烈失效時(shí)，直接更換新件。

可更換式密封跑道仍存在以下問(wèn)題：

（1）材質(zhì)硬度低，抗磨損性能差，壽命短。一般掘進(jìn)1.5-2km后就需對(duì)主驅(qū)動(dòng)進(jìn)行拆開檢修，整個(gè)驅(qū)動(dòng)拆解清理拆解安裝工作量繁瑣，維修周期長(zhǎng)，且密封壓板螺栓多次拆裝螺紋易失效；

（2）經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的磨損，密封跑道出現(xiàn)溝槽，嚴(yán)重影響密封性能，甚至有可能導(dǎo)致土砂進(jìn)入到密封圈的唇口處停留在溝槽里，細(xì)小沙粒在密封圈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)下不斷研磨唇口，惡性循環(huán)，主驅(qū)動(dòng)失效的風(fēng)險(xiǎn)驟然增大，不僅密封跑道自身壽命低，還導(dǎo)致密封圈壽命大為縮短，進(jìn)一步增加了維修費(fèi)用。

為了解決以上弊端，就必須提高密封跑道的耐磨性能。目前主流做法是將材質(zhì)提升為42CrMo調(diào)質(zhì)處理，摩擦面實(shí)施表面淬火硬度達(dá)到HRc50以上。經(jīng)過(guò)實(shí)際使用驗(yàn)證，硬化密封跑道可以極大提高壽命，減少大修次數(shù)，掘進(jìn)5km內(nèi)無(wú)需更換密封。且可與原主驅(qū)動(dòng)可更換式密封套實(shí)現(xiàn)互換安裝，整個(gè)主驅(qū)動(dòng)的可靠性得到顯著提升。然而此種硬化密封跑道也存在一些弊端：

（1）外徑達(dá)3m以上的大型整體環(huán)鍛件，對(duì)機(jī)加工和熱處理能力要求非常高，由于端部帶有法蘭，原料損耗非常大，成本高；

（2）加工周期長(zhǎng)，淬火表面一旦磨損出現(xiàn)溝槽，修復(fù)難度高。解決此問(wèn)題可將主驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化，使密封跑道軸向安裝留有10mm余量，出現(xiàn)磨損后，將密封跑道軸向竄動(dòng)后，把已經(jīng)磨損出的溝槽移位，使用新的摩擦面與密封唇口配合，從而延長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)壽命。但此舉只適合新制的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，原有舊結(jié)構(gòu)無(wú)法互換使用。

為了既能實(shí)現(xiàn)摩擦面硬化，又要降低成本，現(xiàn)在新的表面處理技術(shù)已經(jīng)得到應(yīng)用。具體做法為：跑道本體材質(zhì)仍使用Q345B，在與密封圈配合摩擦處，先車削2mm深的槽，使用激光熔覆技術(shù)，將特殊配比的金屬粉末熔覆在槽內(nèi)，將槽深補(bǔ)起來(lái)并留有少量加工余量，然后再采用磨削達(dá)到設(shè)計(jì)尺寸。該噴涂材料能達(dá)到HRc50以上，起到了強(qiáng)化耐磨的作用。應(yīng)用這種新型熔覆技術(shù)，金屬粉末與本體材質(zhì)可緊密融合，不會(huì)發(fā)生剝落脫離現(xiàn)象。其造價(jià)僅為整體鍛件的一半，性能與整體鍛件持平，而且可重復(fù)利用價(jià)值更高。熔覆層磨損出溝槽后，可再次實(shí)施激光熔覆，重新進(jìn)行磨削加工，具備二次利用的價(jià)值。而且可以使用原有舊的可更換式密封跑道進(jìn)行再制造，為客戶節(jié)約更多成本。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)比研究以上四代密封跑道形式，可以反映出盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)國(guó)產(chǎn)化后技術(shù)升級(jí)優(yōu)化的現(xiàn)狀，結(jié)合表面處理技術(shù)的進(jìn)步，為我國(guó)盾構(gòu)機(jī)技術(shù)消化吸收再創(chuàng)新提供了強(qiáng)有力的支撐，為加快推進(jìn)城市軌道交通建設(shè)提供了設(shè)備保障。