盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動聚氨酯密封件的制造與性能*

夏利民 叢曉勤 王迎光 徐亭

(優(yōu)泰科(蘇州)密封技術(shù)有限公司 江蘇蘇州215126)

盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)是一種用于挖掘隧道的機(jī)器[1]，它的動力源來自于主驅(qū)動軸承，主驅(qū)動系統(tǒng)連接刀盤，刀盤的轉(zhuǎn)動扭矩以及機(jī)器前進(jìn)的推動力都是由主驅(qū)動系統(tǒng)提供，主驅(qū)動系統(tǒng)的維護(hù)非常困難。 主驅(qū)動密封系統(tǒng)能夠保護(hù)主驅(qū)動軸承。 聚氨酯密封件位于主軸承前端，主要阻止盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動刀盤內(nèi)的渣土進(jìn)入主軸承齒輪箱內(nèi)部，密封件一旦失效，密封系統(tǒng)損壞會導(dǎo)致主驅(qū)動的零件磨損嚴(yán)重甚至毀壞而無法工作，盾構(gòu)掘進(jìn)工作就無法進(jìn)行[2]。 主驅(qū)動密封唇口形式主要有VD 型、齒型和端面唇形等多種形式。 本工作研究了聚氨酯多齒型密封[3]，在運(yùn)行過程中可形成多道密封保護(hù)，防止石砂等雜質(zhì)進(jìn)入，破壞主軸承。

盾構(gòu)主驅(qū)動聚氨酯密封件直徑一般大于2 m，目前直徑超過4 m 的主驅(qū)動密封市場應(yīng)用越來越多，對主驅(qū)動密封系統(tǒng)的可靠性要求較高。 大直徑聚氨酯密封件的研制難點(diǎn)在于：產(chǎn)品直徑過大，整體成型質(zhì)量不穩(wěn)定，車削設(shè)備要求高；產(chǎn)品尺寸大，不便于整體運(yùn)輸，現(xiàn)場安裝困難。 一般選用分段澆注[4]連接工藝進(jìn)行生產(chǎn)，該工藝對材料穩(wěn)定性和分段半成品一致性要求極高；需要產(chǎn)品接頭處質(zhì)量可靠，達(dá)到使用要求，產(chǎn)品尺寸精準(zhǔn)控制，且外觀上無明顯不良。

1 聚氨酯密封件材料要求

根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動密封實(shí)際工作環(huán)境，要求如下：

(1)因主驅(qū)動密封產(chǎn)品長時間與油脂接觸，需要所用聚氨酯材料不受盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)所用油脂的影響，具有一定的耐油脂性能；

(2)根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)工作原理，主驅(qū)動密封件會接觸泥土沙石等混合物，為了防止被這些物質(zhì)侵蝕，所用聚氨酯材料需要具有耐泥漿腐蝕性；

(3)當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)主軸承啟動后，承壓的密封件運(yùn)行時摩擦生熱不可避免，在設(shè)計主驅(qū)動密封系統(tǒng)時要考慮密封產(chǎn)品的冷卻和潤滑，所用聚氨酯材料需要具有耐旋轉(zhuǎn)磨損和耐摩擦生熱性；

(4)在設(shè)計聚氨酯原料配方時，要充分考慮大直徑聚氨酯密封產(chǎn)品的加工難度，在油脂和泥沙長時間擠壓下，所用聚氨酯材料可維持在合理變形范圍內(nèi)。 基于此，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動聚氨酯密封件硬度在邵A 90 ～95 較合適；在設(shè)計聚氨酯原料配方時，必須充分考慮大直徑聚氨酯密封件材料應(yīng)具有良好的加工工藝。

2 聚氨酯密封件的制備

2.1 主要原料

A 料(預(yù)聚體)：亨斯邁化學(xué)研發(fā)中心有限公司的MDI 型聚氨酯預(yù)聚體[5]，牌號MPC2413，NCO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.40%。

B 料(交聯(lián)劑)：蘇州湘園新材料股份有限公司的3，3'-二氯-4，4'-二氨基二苯基甲烷(MOCA)和亨斯邁化學(xué)研發(fā)中心有限公司的1，4-丁二醇(BDO)，其中MOCA 與BDO 質(zhì)量比為4 ∶1。

C 料(催化劑)：三乙烯二胺(TEDA)，蘇州超進(jìn)元貿(mào)易有限公司。

2.2 儀器設(shè)備

CPU20F-0.5 型聚氨酯澆注機(jī)，浙江溫州飛龍聚氨酯設(shè)備工程有限公司；DW-T-4000-600 型隧道式烘箱、DW-T-7000-550 型電熱鼓風(fēng)烘箱(7 m×6 m×1 m)，蘇州昇遠(yuǎn)烘箱設(shè)備有限公司；CMT6104 型萬能試驗(yàn)機(jī)，美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司；401-A型熱空氣老化箱，江都市精科試驗(yàn)機(jī)械廠；A 型邵氏硬度計，日本得樂TECLOCK 公司；JBMH-76 型阿克隆磨耗儀，揚(yáng)州市精博試驗(yàn)機(jī)械有限公司。

2.3 產(chǎn)品分段成型工藝

盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)聚氨酯密封件工藝流程圖見圖1。

圖1 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)聚氨酯密封件工藝流程圖

將各原料于70 ℃預(yù)熱16～24 h 后，抽到澆注機(jī)對應(yīng)的罐體中，抽真空40 ～120 min，設(shè)置澆注機(jī)作業(yè)程序，校準(zhǔn)設(shè)備，模具清理干凈并噴涂脫模劑，加熱到75 ℃。

采用分段模壓成型工藝，即采用澆注機(jī)分段澆注并連接成型[6]，澆注時采用工裝裝置壓緊并固定模具，模具清理、噴涂脫模劑達(dá)到澆注要求后進(jìn)行澆注，控制擴(kuò)鏈系數(shù)為0.95 ～0.98，A 料/B 料/C 料質(zhì)量比為100 ∶15 ∶3。 澆注完成后產(chǎn)品在135 ℃隧道式烘箱固化40 min 后脫模，模具吹氣降溫到80℃，清理后噴涂脫模劑，產(chǎn)品切割后再次固定入模具，模具溫度在75 ℃左右進(jìn)行二次澆注，待產(chǎn)品達(dá)到尺寸后，放入溫度為120 ℃的電熱鼓風(fēng)烘箱，產(chǎn)品平鋪在定制的鏤空鐵架臺上硫化16 h。 產(chǎn)品初檢后，進(jìn)行打磨、手工處理；打磨拋光處理后，接頭部位要求色澤均勻，整體一色，外觀整齊精美、無接頭痕跡、尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)要求，大直徑主驅(qū)動鉸接密封產(chǎn)品外觀見圖2。

圖2 大直徑主驅(qū)動鉸接密封產(chǎn)品外觀

2.4 分析測試標(biāo)準(zhǔn)

拉伸強(qiáng)度按照GB/T 528—2009 測試；撕裂強(qiáng)度按照 GB/T 529—2008 測試； 硬度按照 GB/T 531.1—2008 測試；老化試驗(yàn)按照GB/T 3512—2014測試；壓縮永久變形按照GB/T 7759.1—2015 測試；耐磨性能按照GB/T 1689—2014 測試。

3 主驅(qū)動密封產(chǎn)品的性能

3.1 材料產(chǎn)品基本物性

根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動密封產(chǎn)品實(shí)際工況，確定選用聚醚型聚氨酯預(yù)聚體為主要原料，這是因?yàn)榫勖研途郯滨ヮA(yù)聚體體系黏度低且聚氨酯制品收縮率相對穩(wěn)定；交聯(lián)劑采用MOCA 和BDO[7]復(fù)配體系，具有穩(wěn)定合適的固化速率，同時可提高材料的韌性和綜合力學(xué)性能，保證盾構(gòu)主驅(qū)動密封產(chǎn)品能滿足所需要的硬度、較高的拉伸性能和良好的工藝性。主驅(qū)動密封聚氨酯彈性體與日本進(jìn)口樣品實(shí)測數(shù)據(jù)對比見表1。 表2 為盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動密封材料耐老化性能和其他性能檢測數(shù)據(jù)。

表1 主驅(qū)動密封聚氨酯彈性體與日本進(jìn)口樣品數(shù)據(jù)對比

表2 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動密封材料耐老化性能和其他性能

從表1 可以看出，本工作試制的聚氨酯密封件產(chǎn)品能夠達(dá)到盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)品配套使用要求，硬度達(dá)標(biāo)，具有較好的拉伸性能和撕裂強(qiáng)度，接頭拉伸強(qiáng)度高，綜合性能略優(yōu)于進(jìn)口樣品。

由表2 可以看出，研發(fā)的主驅(qū)動密封產(chǎn)品具備良好的耐盾構(gòu)油脂和耐老化性能。 該產(chǎn)品長期接觸EP1 密封脂和VG220 齒輪油，機(jī)頭部位會和泥土砂漿水摩擦，實(shí)驗(yàn)室也已驗(yàn)證該材料樣品在密封脂、齒輪油和泥漿水的耐介質(zhì)老化測試[8]中，70 ℃、56 d浸泡后樣品物性基本保持60%，常溫5 年樣品物性基本不變。

3.2 接頭處彎折測試

接頭處彎折測試方法如下(見圖3)：兩名員工分別握住接頭一端，同時以均勻的速度在接口處向內(nèi)分別折彎近90°，保持1 min 再還原，反復(fù)幾次，觀察接頭處無裂紋、無折痕、不彎曲，測試數(shù)據(jù)見表3。

表3 接頭部位力學(xué)性能對比

圖3 接頭可靠性彎折測試

由表3 可見，本產(chǎn)品接頭部位的基礎(chǔ)物性和粘接強(qiáng)度達(dá)到并超過進(jìn)口產(chǎn)品要求，并與基體性能基本一致。

3.3 主驅(qū)動密封產(chǎn)品仿真試驗(yàn)臺測試

進(jìn)行盾構(gòu)主驅(qū)動密封產(chǎn)品驗(yàn)證時，通常主軸承密封件的設(shè)計壽命短于主軸承使用壽命，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動聚氨酯密封產(chǎn)品在潤滑良好的情況下，密封件使用壽命計算值大于10 000 h，在主軸承密封達(dá)到預(yù)期壽命前，需要更換所有內(nèi)外密封件，更換次數(shù)與盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的使用管理有關(guān)。 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)行程超過3 000 m 后，無論主軸承密封唇口是否磨損，都需要更換密封件。

通過與主機(jī)廠技術(shù)人員研討，本工作設(shè)計了盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動仿真模擬試驗(yàn)臺，見圖4。

圖4 盾構(gòu)仿真試驗(yàn)臺

該試驗(yàn)臺主要有殼體組件、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、注脂系統(tǒng)組成，運(yùn)行速度0.5 ～3 m/s，介質(zhì)壓力0～1 MPa，油脂壓力0 ～2 MPa，密封溫度-20～100 ℃，直徑2 m，是國內(nèi)首臺具有主驅(qū)動密封仿真能力的大直徑仿真試驗(yàn)臺。 該試驗(yàn)臺以盾構(gòu)機(jī)實(shí)際工作環(huán)境為背景，設(shè)備運(yùn)行速率、壓力等關(guān)鍵參數(shù)均參考盾構(gòu)機(jī)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，模擬泥沙、泥漿、砂石等盾構(gòu)機(jī)現(xiàn)場介質(zhì)環(huán)境，從而可以通過該試驗(yàn)臺建立主驅(qū)動密封壽命評估體系，建立密封性能關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)庫，分析密封失效的原因，指導(dǎo)主驅(qū)動密封的設(shè)計、制造和工程應(yīng)用，給現(xiàn)場準(zhǔn)確評估主驅(qū)動密封壽命提供準(zhǔn)確方法。

本研究的主驅(qū)動聚氨酯密封件進(jìn)行仿真試驗(yàn)臺試驗(yàn)，測試行程達(dá)到理論掘進(jìn)機(jī)行程1.7 km 時，試驗(yàn)臺運(yùn)行近100.7 萬m(旋轉(zhuǎn)16 萬次)，主驅(qū)動密封狀態(tài)良好。 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)5 km 里程時，根據(jù)行程理論換算，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)密封產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)總行程需要運(yùn)行330 萬m，并與試驗(yàn)臺測試旋轉(zhuǎn)總行程進(jìn)行對比，測試數(shù)據(jù)正在完善中。

4 結(jié)束語

本工作研制的盾構(gòu)主驅(qū)動聚氨酯密封產(chǎn)品，具有較好的力學(xué)性能、高耐磨性、耐老化性和耐盾構(gòu)油脂性等，滿足了密封產(chǎn)品在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中對介質(zhì)、溫度及工況的作業(yè)條件要求。 經(jīng)驗(yàn)證，產(chǎn)品成型工藝操作簡單，接頭平滑無痕，質(zhì)量可靠，安全穩(wěn)定，強(qiáng)度高。 成品尺寸精度高，達(dá)到使用要求。 目前該主驅(qū)動聚氨酯密封件產(chǎn)品已經(jīng)在幾家國內(nèi)盾構(gòu)產(chǎn)品關(guān)聯(lián)單位，如中交天和、中國鐵建、中鐵工程、中鐵裝備及日本小松等國內(nèi)外多個重大地鐵隧道項(xiàng)目中成功應(yīng)用，質(zhì)量可靠，可替代同類進(jìn)口產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)主軸承密封產(chǎn)品等關(guān)鍵零部件國產(chǎn)化。