盾構(gòu)螺旋機(jī)驅(qū)動密封故障處理與維修

劉思迅

（中鐵隧道集團(tuán)機(jī)電工程有限公司，河南洛陽 471009）

0 引言

盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)在隧道掘進(jìn)工程盾構(gòu)施工時，應(yīng)充分考慮地質(zhì)條件，盾構(gòu)機(jī)的使用強(qiáng)度，設(shè)備自身的配置、性能等，因?yàn)檫@些方面決定螺旋輸送機(jī)葉片的磨損程度。刀具碎片和楔形塊被吸進(jìn)螺旋葉片外緣，盾構(gòu)機(jī)螺旋驅(qū)動簡體內(nèi)部，可能卡死螺桿，造成螺旋機(jī)嚴(yán)重磨損，增大葉片與簡體內(nèi)徑之間的間隙，降低出土效率等，可能進(jìn)一步導(dǎo)致螺桿焊接處斷開，唇形密封損壞等。目前，有關(guān)盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)損壞維修方面的研究成果較多，但是對螺旋輸送機(jī)驅(qū)動密封故障及處理的研究較少[1]。

1 工程概況

某隧道工程項(xiàng)目所在區(qū)域地質(zhì)地貌受到地臺階升高和高原流水等的侵蝕，存在顯著的下切作用，沖蝕而成的V 形溝壑發(fā)育趨勢緩慢，呈縱橫分布和破碎態(tài)勢。地層從新至老地層巖性依次為：第四層系主要為全新集合風(fēng)貌積（Q3eol）砂土質(zhì)黏性土以及新集沖紅積累（Q2al+pl）細(xì)粒圓粒徑砂土，白堊地層系之下則（K1l）集漯河組分砂巖。該隧道項(xiàng)目位于山西、甘肅、寧夏凹印陜斜坡區(qū)位，呈現(xiàn)出西高東低地勢，無大型褶皺和斷層，地質(zhì)構(gòu)造簡單。

該隧道全線長48.71 km，其中盾構(gòu)試驗(yàn)段工程區(qū)間線路長16.52 km。出口坡度30°左右，基巖地質(zhì)完整性良好，巖石天然抗壓強(qiáng)度（8～45）MPa，根據(jù)已有的隧道工程地質(zhì)條件研究成果，基巖整體性越好，基巖對隧道盾構(gòu)螺旋機(jī)等所使用的刀具的磨損程度越嚴(yán)重，盾構(gòu)設(shè)備的防扭處理等方面的要求也就越高。

2 盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)工作原理及驅(qū)動密封故障

2.1 工作原理

隧道盾構(gòu)出渣主要通過周邊起驅(qū)動作用的軸式螺旋輸送機(jī)完成，功率200 kW 螺旋輸送機(jī)最大值154 kN·m，平均轉(zhuǎn)速15 r/min。螺旋輸送機(jī)周圍的孔主要用于油脂注入，降低盾構(gòu)機(jī)殼、螺桿和沙土間的摩擦及對葉片的磨損。見圖1。

圖1 盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)工作原理

2.2 螺旋機(jī)驅(qū)動密封失效分析

2.2.1 螺旋機(jī)設(shè)計不合理

由于隧道盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)長時期處于不良作業(yè)環(huán)境，一前一后雙組銅制套筒滑動軸承替換滾動軸承并不適用，滑動軸承承受徑向力較大，要求螺旋軸和滑動軸承之間必須留有一定間隙，并保證潤滑油脂的足量性。但本次隧道工程盾構(gòu)施工過程中，螺旋機(jī)軸承處于懸臂狀態(tài)[2]，滑動軸承承受部分徑向力的同時，還承受一定彎矩。

2.2.2 螺旋機(jī)螺桿偏移或滑動

螺旋輸送機(jī)螺桿位置發(fā)生變化，首先會增加其與周邊組件的摩擦，加劇密封銅套磨損，進(jìn)而齒輪上的油脂會不斷出現(xiàn)滴漏，本隧道工程盾構(gòu)螺旋機(jī)掘進(jìn)地層主要為砂巖，螺旋機(jī)本身材料構(gòu)造等導(dǎo)致葉片磨損較為嚴(yán)重，難以借助隧道掘進(jìn)中產(chǎn)出的渣土完成螺旋軸的浮動處理，螺機(jī)桿偏移進(jìn)一步加劇的話，唇形的銅套密封也將進(jìn)一步增大其縫隙，齒輪油脂流失速率增大，泥漿涌入減速箱后損壞密封。

螺旋輸送機(jī)作業(yè)過程中銅套及其他配件磨損程度增大，間隙也隨之增大，輸送機(jī)安裝角為21.5°，出渣的同時渣土向螺桿施加反力，在結(jié)構(gòu)自重和振動等共同作用下，螺桿發(fā)生滑動，大齒圈逐漸向箱體靠攏，進(jìn)而導(dǎo)致箱體局部磨損，螺桿驅(qū)動端的固定作用逐漸減弱，難以發(fā)揮浮動支撐作用，增加螺旋機(jī)作業(yè)過程中的振動。

2.2.3 連接盾構(gòu)機(jī)筒體面損壞

螺旋機(jī)葉片的磨損將加速機(jī)器連接筒體面的進(jìn)一步磨損，消除驅(qū)動密封裝置結(jié)構(gòu)以上筒體和筒面連接構(gòu)件的間隔，更有甚者，隨后壓死筒體，在盾構(gòu)隧螺旋機(jī)出渣的具體環(huán)節(jié)，連接面磨損程度將始終不斷間隔模式加劇。這種情況下，螺旋機(jī)筒體連接面將發(fā)揮密封作用，本隧道工程盾構(gòu)螺旋機(jī)驅(qū)動密封筒體設(shè)計厚度15 mm，磨損后邊緣位置厚度僅5 mm，泥漿不斷涌入唇形密封圈和減速箱內(nèi)，齒輪油損耗程度及軸套磨損程度加劇。各筒體連接面間隙均比設(shè)計值大，即便更換新的密封裝置后仍難以達(dá)到預(yù)期效果。

2.2.4 油脂注入量不足

在隧道盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)驅(qū)動密封銅套以內(nèi)按照設(shè)計速率倒入油脂，從而使其在各中發(fā)揮著潤滑和填充密封腔等作用，本隧道工程盾構(gòu)輸送機(jī)前后密封腔共8 個油脂注入孔，油脂的注入與分配主要通過遞進(jìn)式分配閥完成，注入量≤0.4 l/h。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)始終顯示出一種保壓狀態(tài)時，滑動軸承上面所顯示出的注脂設(shè)計壓力將快速下降，螺旋機(jī)機(jī)腔內(nèi)的壓力值逐漸上升直至超過油脂注入時刻的壓力值，加快泥漿入滲，引發(fā)唇形密封銅套唇口出現(xiàn)難逆磨損。

3 盾構(gòu)螺旋機(jī)驅(qū)動密封故障處理與維修措施

3.1 更換螺旋機(jī)驅(qū)動唇形密封

減速箱內(nèi)進(jìn)入泥沙太多將損傷箱體內(nèi)的齒輪、軸套等部件，為此，必須更換螺旋機(jī)驅(qū)動唇形密封。先拆卸掉螺旋機(jī)驅(qū)動部分和后閘門之間的連接螺栓，待螺旋機(jī)完全伸出后其唇形密封將全部露出，進(jìn)行拆卸，并徹底清理密封腔內(nèi)的油污、泥沙后更換新的密封裝置與鋼環(huán)。更換結(jié)束后再次收回螺旋機(jī)，對接安裝驅(qū)動段和后閘門段的螺栓并擰緊。后部密封拆卸更換完畢后，隨即更換前部密封，用工字鋼將螺旋機(jī)驅(qū)動部分焊接于設(shè)備橋，用手拉葫蘆將其固定于頂部管片螺栓，之后拆卸驅(qū)動段和全部筒體段的連接螺栓，待螺旋機(jī)伸出、前部唇形密封完全露出后清理密封腔，更換密封裝置，最后收回螺旋機(jī)，安裝連接螺栓并擰緊。

3.2 螺旋機(jī)葉片修復(fù)

該隧道工程盾構(gòu)螺旋機(jī)葉片初始厚度275 mm，螺旋機(jī)葉片磨損程度從取土端開始向驅(qū)動端逐漸遞減，通過土倉及螺旋機(jī)筒體的觀察孔進(jìn)行隧洞內(nèi)葉片磨損程度的觀察，并進(jìn)行HARDOX-500 耐磨鋼板的分段焊接實(shí)現(xiàn)對葉片的補(bǔ)焊與修復(fù)。葉片補(bǔ)焊修復(fù)過程中，必須確保焊接后葉片的平整性與圓弧度，防止局部不平整導(dǎo)致其運(yùn)轉(zhuǎn)中與筒體摩擦和卡機(jī)等情況的發(fā)生。在葉片耐磨版處設(shè)置焊接坡口，確保焊接質(zhì)量，同時嚴(yán)格按照測量結(jié)果進(jìn)行耐磨版厚度的設(shè)置。補(bǔ)焊結(jié)束后，徹底清理盾構(gòu)螺旋機(jī)內(nèi)部的雜物，掘進(jìn)恢復(fù)后徹底檢查螺旋輸送機(jī)運(yùn)行狀況，尤其要注意是否存在異聲和較大的振動。

3.3 調(diào)整油脂注入量

正確連接原來的EP2 油脂管路，同時布置連接HBW 密封油脂管理和馬達(dá)配置器。在盾構(gòu)螺旋機(jī)原唇形密封位置增設(shè)4個HBW 油脂注入孔，注入孔的間距從油脂泵管路到馬達(dá)分配器之間平均分配，以增加螺旋機(jī)驅(qū)動的密封程度，徹底杜絕外部泥漿涌入引發(fā)密封故障。

4 結(jié)語

隧道盾構(gòu)施工過程中一旦發(fā)生螺旋輸送機(jī)驅(qū)動密封故障，必將影響隧道掘進(jìn)施工進(jìn)度，如果在隧道內(nèi)進(jìn)行螺旋機(jī)葉片補(bǔ)焊和修復(fù)，施工效率將受到影響。因此，隧道盾構(gòu)掘進(jìn)的同時，必須密切關(guān)注地質(zhì)條件的變化，加強(qiáng)對螺旋輸送機(jī)運(yùn)行情況和磨損程度的監(jiān)控，及時調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，避免因螺旋輸送機(jī)密封故障而造成整機(jī)癱瘓所引發(fā)的系列損失。本隧道工程施工經(jīng)驗(yàn)表明，驅(qū)動密封故障的恰當(dāng)處理對于盾構(gòu)螺旋機(jī)恢復(fù)正常有積極作用，既能提升盾構(gòu)螺旋機(jī)掘進(jìn)效率，又能延長盾構(gòu)機(jī)的使用壽命。