盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)密封優(yōu)化研究

張中華， 鄭 軍， 任 陽， 何 博， *

(1. 中鐵工程服務(wù)有限公司， 四川 成都 610083； 2. 西南交通大學(xué)， 四川 成都 610031)

0 引言

盾構(gòu)是一種用于隧道掘進(jìn)施工的設(shè)備，出于施工進(jìn)度和投資成本的考慮，往往要求具有很高的可靠性。主驅(qū)動(dòng)作為盾構(gòu)的核心組成部分之一，在掘進(jìn)施工中為刀盤提供轉(zhuǎn)矩并承受推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的大部分推力，具有工作負(fù)載大、使用維護(hù)難的特點(diǎn)，保證其正常高效工作對(duì)盾構(gòu)施工十分重要。穩(wěn)定可靠的密封是保障主驅(qū)動(dòng)正常工作的關(guān)鍵，密封系統(tǒng)出現(xiàn)故障或過早失效將加速主驅(qū)動(dòng)部件的磨損；此外，在掘進(jìn)施工過程中，密封系統(tǒng)的維修和更換作業(yè)將極大地增加施工成本和安全隱患，并延緩施工進(jìn)度[1]。因此，針對(duì)主驅(qū)動(dòng)密封失效問題的研究顯得尤為重要。

目前，大部分學(xué)者主要從安裝工藝和密封材料上進(jìn)行優(yōu)化。但安裝工藝對(duì)密封可靠性的提升有限，并不能從根本上解決密封問題；同時(shí)，密封材料沒有取得重大突破，即使密封材料有更好的選擇，密封成本也會(huì)大幅增加。因此，以上2種優(yōu)化方法可操作性不強(qiáng)，而通過合理的設(shè)計(jì)優(yōu)化，對(duì)于解決目前盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)密封問題更具操作性。

1 密封失效分析

1.1 主驅(qū)動(dòng)常見的密封方式

主驅(qū)動(dòng)常見密封主要有VD密封、單唇密封和多唇密封3種，同時(shí)為了提高密封可靠性，一般在第1道密封前還設(shè)置有迷宮密封。表1列出了盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)常見密封形式。

表1 盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)常見密封形式

1.2 密封常見失效形式及原因

目前，常見密封失效形式主要有橡膠老化及唇口過度磨損、油脂過量注入及泄漏、摩擦力矩增大致使主驅(qū)動(dòng)油溫快速上升等。其中，橡膠老化及唇口過度磨損是密封失效的主要形式。密封失效原因較多，貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用整個(gè)過程[2-5]：

1)通常密封件尺寸大、剛度小、易變形，因此砂石較易進(jìn)入密封內(nèi)部[6]；

2)密封安裝不合格導(dǎo)致密封破壞，特別是唇形密封，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證了較好的結(jié)構(gòu)跟隨性和耐磨特性，但對(duì)材料依賴度高；

3)主驅(qū)動(dòng)齒輪油污染，特別是磨合期產(chǎn)生的細(xì)小金屬顆粒，可能會(huì)劃傷和加劇唇口磨損[7]；

4)密封油脂注入量不足，外部砂石易進(jìn)入潤滑通道，造成密封磨損[8]。

常見的密封失效形式如圖1所示。

1.3 密封非常見失效形式及原因

上述密封失效和故障是使用過程中的常見現(xiàn)象。除此之外，在密封結(jié)構(gòu)特性、配套設(shè)計(jì)和使用環(huán)境的綜合作用下，還會(huì)有一些嚴(yán)重和非正常失效形式出現(xiàn)，包括局部破損、整體撕裂、唇口翻折等,如圖2所示。其中，唇口翻折多由泵送壓力不匹配、工作壓力差過大造成，較為多發(fā)。

另外，由于安裝方式及結(jié)構(gòu)本身缺陷造成的密封失效也時(shí)有發(fā)生，如VD密封脫離斷裂，具體破壞原因如下[9]： VD密封一般采用膠粘安裝形式，存在局部粘接強(qiáng)度不均勻的情況； 而密封襯套與密封相對(duì)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)密封產(chǎn)生沿圓周方向的切向拉伸力，在拉伸力的作用下，密封粘接強(qiáng)度較低的部位將逐步開膠，然后形成應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致密封斷裂失效[10]。

(a) 密封局部破損(b) 密封整體撕裂 (c) 密封唇口翻折

2 密封優(yōu)化研究

2.1 盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)密封面臨的主要問題

目前盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)密封面臨的主要問題包括： 1)由于渣土含砂量高、密封承受的水土壓力高等惡劣的工作環(huán)境，導(dǎo)致密封性能不足[11]； 2)由于密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝方式及配套結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致密封性能不足； 3)由于密封的材料性能限制導(dǎo)致密封耐高壓能力不足; 4)由于現(xiàn)場使用不當(dāng)，導(dǎo)致密封性能下降[12]。

2.2 增設(shè)和優(yōu)化迷宮密封

在盾構(gòu)施工條件惡劣的環(huán)境下，可在第1道密封前增設(shè)迷宮密封； 對(duì)已設(shè)置迷宮密封的情況，可采用密封性和穩(wěn)定性更高的迷宮形式，并在迷宮密封中注入適合的油脂，如通過延長迷宮長度、增設(shè)油脂緩沖腔等方式提高密封性能。

2.3 安裝方式優(yōu)化

2.3.1 VD密封安裝優(yōu)化

針對(duì)前文中提到的VD密封由于粘接不牢導(dǎo)致的斷裂失效，文獻(xiàn)[9]提出采用壓板法替代膠粘法，2種安裝方式對(duì)比如圖3所示。

(a) 膠粘法

(b) 壓板法

改用壓板法后，螺栓孔的加工和壓板的設(shè)計(jì)可根據(jù)具體結(jié)構(gòu)考慮。為了保證密封效果和可靠性，應(yīng)注意以下方面的質(zhì)量控制：

1)安裝后，應(yīng)防止?jié)櫥椭瑥腣D密封的背面間隙回流，可采用在安裝面均勻涂抹粘接劑的方式[13]；

2)安裝時(shí)，壓板緊固件預(yù)緊力應(yīng)進(jìn)行計(jì)算校核，保證緊固時(shí)用力均勻，避免壓板變形；

3)防止壓板螺栓松脫，可采用防松墊片或螺紋緊固膠的方式，在防松的同時(shí)也便于后期的檢修。

2.3.2 單唇密封安裝優(yōu)化

為提高單唇密封的性能，安裝時(shí)可采用帶支撐結(jié)構(gòu)的隔環(huán)。有無支撐結(jié)構(gòu)的隔環(huán)對(duì)比如圖4所示。

(a) 帶支撐結(jié)構(gòu) (b) 無支撐結(jié)構(gòu)

相較于傳統(tǒng)無支撐結(jié)構(gòu)的隔環(huán)，帶支撐結(jié)構(gòu)的隔環(huán)具有2個(gè)優(yōu)勢：

1)可在壓力較大時(shí)為唇口提供有效支撐，提高唇口在高壓工況下的穩(wěn)定性，有效防止唇口翻轉(zhuǎn)和破壞，能夠保證密封在注油壓力異常的情況下正常工作，保護(hù)密封件不被破壞；

2)改善唇口與密封跑道的接觸狀態(tài)，在相同壓力下能有效減小接觸面積，有效緩解密封磨損和老化，增加密封結(jié)構(gòu)的整體使用壽命。

為了分析單唇密封的耐壓能力、對(duì)比驗(yàn)證帶支撐結(jié)構(gòu)隔環(huán)的作用效果，在現(xiàn)有研究建立的單唇密封-隔環(huán)有限元模型及計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上[14]，對(duì)比分析了在0.3 MPa、0.5 MPa和0.7 MPa 3種工作壓力下單唇密封唇口的變形情況，如圖5所示。

有限元分析結(jié)果顯示： 相同壓力狀態(tài)下，采用帶支撐結(jié)構(gòu)的隔環(huán)時(shí)，密封唇口接觸面積更小，整體變形更穩(wěn)定，特別是在高壓工況下，較不帶支撐結(jié)構(gòu)的隔環(huán)，穩(wěn)定性改善明顯。采用不帶支撐結(jié)構(gòu)的隔環(huán)時(shí)，伴隨工作壓力不斷增加，唇口變形及翻折趨勢越發(fā)明顯； 而采用帶支撐結(jié)構(gòu)的隔環(huán)時(shí)，唇口在不同工作壓力下變形趨勢變化不大，均能保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定?？梢?，增加隔環(huán)支撐結(jié)構(gòu)能有效提高唇口穩(wěn)定性和耐高壓能力，能有效防止唇口翻折。

(a) 0.3 MPa，無支撐結(jié)構(gòu) (b) 0.3 MPa，帶支撐結(jié)構(gòu)

(c) 0.5 MPa，無支撐結(jié)構(gòu) (d) 0.5 MPa，帶支撐結(jié)構(gòu)

(e) 0.7 MPa，無支撐結(jié)構(gòu) (f) 0.7 MPa，帶支撐結(jié)構(gòu)

2016年至2019年間，中鐵工程服務(wù)有限公司生產(chǎn)的4臺(tái)盾構(gòu)的主驅(qū)動(dòng)密封隔環(huán)均采用帶支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這4臺(tái)盾構(gòu)先后在鄭州(平均土壓0.21 MPa)、杭州(平均土壓0.26 MPa)、武漢(平均土壓0.17 MPa)等地服役。目前，最長的服役里程超4 km，主驅(qū)動(dòng)密封性能依舊十分可靠，保壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)也無異常。

2.4 密封耐壓優(yōu)化

目前常見的密封形式由于安裝結(jié)構(gòu)的限制，壓力傳遞較為直接，高壓易引起密封失效。一方面，密封唇口承受工作壓力差的能力有限，壓差過大會(huì)帶來唇口磨損嚴(yán)重、翻折失效、撕裂破壞等一系列問題；另一方面，當(dāng)外載壓力達(dá)到一定值后可能造成密封翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致所有密封失效。目前，越來越多的工程項(xiàng)目要求盾構(gòu)能夠承受更高的壓力，如何提高密封的耐壓能力是亟待解決的問題。

2.4.1 工作壓力對(duì)密封的影響分析

主驅(qū)動(dòng)密封耐高壓體現(xiàn)在2個(gè)方面: 1)對(duì)密封系統(tǒng)整體而言的外載壓力，即土倉壓力； 2)對(duì)單個(gè)密封件而言的工作壓力，即直接作用于密封件兩側(cè)的壓力。以下以唇形密封為例進(jìn)行分析。

傳統(tǒng)的安裝結(jié)構(gòu)為隔環(huán)-密封件串聯(lián)結(jié)構(gòu)，外載壓力會(huì)通過隔環(huán)完全作用于密封內(nèi)圈。構(gòu)建唇形密封有限元模型，以壓縮量表征外載壓力大小，對(duì)比分析密封內(nèi)圈的變形趨勢，如圖6所示。根據(jù)通常使用條件，設(shè)置壓縮量d分別為0.4、0.8、1.2、1.6 mm進(jìn)行仿真分析，不考慮唇口工作壓力，仿真結(jié)果如圖7所示。

變形結(jié)果顯示： 伴隨壓縮量增大，密封件顯現(xiàn)出逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢。根據(jù)該趨勢可以預(yù)見，伴隨外載壓力不斷增大，密封件與安裝面分離的趨勢越發(fā)顯著，并有出現(xiàn)整體翻轉(zhuǎn)的可能性?？梢?，外載壓力對(duì)密封件整體穩(wěn)定性具有較大影響。

密封件唇口的承壓能力直接關(guān)系到系統(tǒng)的密封性能。為分析工作壓力對(duì)唇口的影響規(guī)律，根據(jù)通常使用條件，不考慮內(nèi)圈預(yù)壓縮量，設(shè)置2組共6個(gè)分析工況：

1)第1組唇口左側(cè)壓力p1為0.5 MPa，右側(cè)壓力p2分別為0.15、0.25、0.35 MPa，即唇口工作壓力差△分別為0.35、0.25、0.15 MPa；

2)第2組唇口左側(cè)壓力p1為0.3 MPa，右側(cè)壓力p2分別為0.05、0.15、0.25 MPa，即唇口工作壓力差△分別為0.25、0.15、0.05 MPa。

仿真結(jié)果如圖8和圖9所示，分析發(fā)現(xiàn)：

1)在單側(cè)最大壓力相同時(shí)，壓力差△越大，對(duì)唇口受力變形情況越不利；

2)在單側(cè)最大壓力不相同而壓力差△相同時(shí)，唇口變形情況基本一致。

綜合以上規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，唇口變形主要受壓力差影響，而最大單側(cè)壓力對(duì)唇口變形影響不大。

2.4.2 密封系統(tǒng)耐壓優(yōu)化

針對(duì)最常見的唇形密封結(jié)構(gòu)，提高密封系統(tǒng)耐壓能力的主流方法有3種：

1)增加密封組合數(shù)，延長密封跑道；

2)改用強(qiáng)度更高的密封材料；

3)構(gòu)建背壓，并結(jié)合自動(dòng)控制，根據(jù)負(fù)載壓力及時(shí)調(diào)整背壓，保證密封的壓力差維持在正常合理范圍內(nèi)。

3種方案的特點(diǎn)對(duì)比見表2。

表2 提高密封耐壓能力方案對(duì)比

2.4.3 構(gòu)建合理背壓，提高系統(tǒng)耐壓能力

考慮到保證密封穩(wěn)定性和使用壽命，建議通過構(gòu)建合理背壓的方式提高密封系統(tǒng)耐高壓能力，同時(shí)加強(qiáng)迷宮密封并優(yōu)化密封安裝。該方法也易于實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有密封系統(tǒng)的增壓改造。

該方法可有效降低唇口兩側(cè)的壓力差，避免唇口翻折失效，但并未有效改善密封件內(nèi)圈的受力，仍存在密封整體翻轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)該情況，可采用一種優(yōu)化的安裝結(jié)構(gòu)，如圖10所示。傳統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)為隔環(huán)-密封件串聯(lián)結(jié)構(gòu)；優(yōu)化安裝結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加與密封件并聯(lián)的中間環(huán)(中間環(huán)可與隔環(huán)設(shè)計(jì)為一體結(jié)構(gòu))，中間環(huán)的長度設(shè)置為密封件安裝預(yù)緊到位后的寬度。

(a) 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu) (b) 優(yōu)化結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)下，當(dāng)工作壓力超過預(yù)緊壓力時(shí)，橡膠密封件會(huì)繼續(xù)壓縮，所有壓力都將作用于密封件，當(dāng)工作壓力持續(xù)增加時(shí)，密封件的翻轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)將急劇增加；而在優(yōu)化安裝結(jié)構(gòu)下，當(dāng)工作壓力超過預(yù)緊壓力后，額外增加的壓力將通過中間環(huán)直接從上一級(jí)隔環(huán)傳遞到下一級(jí)隔環(huán)，作用于密封件的壓力會(huì)一直維持在預(yù)緊壓力附近，不存在翻轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)。在優(yōu)化安裝結(jié)構(gòu)下，既能保證密封件的預(yù)緊密封性能，又能有效避免密封件因壓力過高而出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)失效。

3 結(jié)論與討論

本文在分析盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)密封常見失效形式和原因的基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有密封系統(tǒng)的不足和缺陷，總結(jié)提出了密封優(yōu)化的方向和具體措施。特別針對(duì)常見的單唇密封結(jié)構(gòu)，在分析工作壓力對(duì)密封件影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出通過構(gòu)建背壓和并聯(lián)安裝中間環(huán)的方式來提高系統(tǒng)的耐高壓能力。但構(gòu)建背壓的方式需要增加一套油壓自動(dòng)控制系統(tǒng)，會(huì)增加部分成本；并聯(lián)安裝方式需要增加中間隔環(huán)，零部件數(shù)量增加，會(huì)少量增加制造成本和裝配工作量。

針對(duì)目前主驅(qū)動(dòng)密封的失效問題，設(shè)計(jì)采用更新的密封結(jié)構(gòu)和密封材料固然是解決問題的有效方式，但通過優(yōu)化現(xiàn)有安裝結(jié)構(gòu)和增加主動(dòng)控制技術(shù)來改善和提高密封性能也是途徑之一，而且見效快、成本低、推廣性強(qiáng)。盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)密封的發(fā)展應(yīng)該遵循技術(shù)革新與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新并重的原則。本文提出的優(yōu)化措施將在合適的新機(jī)或大修項(xiàng)目中進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。