盾构机主驱动密封维修改造关键技术

盾构机主驱动密封维修改造关键技术

马润波

马润波

中铁工程装备集团技术服务有限公司河南郑州450000

摘要：对于盾构机来说，主驱动系统是以“心脏”的地位而存在，而主驱动的密封便是心脏外的一层保护膜。在盾构机掘进的过程中，主驱动密封不能够在洞室中进行更换，如若由于密封损坏或者间隙过大等原因，使泥沙颗粒或者齿轮油等侵入到齿轮箱当中，导致主轴承损坏，将会引起整个盾构机的瘫痪，为盾构工程带来经济损失。本文详细探讨了盾构机主驱动密封维修改造关键技术，旨在提升盾构机的使用效率，延长盾构机的使用寿命。

关键词：盾构机；主驱动密封；维修改造；关键技术

盾构机主驱动系统被称为盾构机的“心脏”，主驱动密封就是“心脏的膈膜”，因此主驱动密封的作用至关重要。完整可靠的主驱动密封一方面通过注入并保持一定压力的润滑油脂，给主驱动轴承提供良好的运转环境；另一方面，带有一定压力的润滑油脂向盾构机土仓侧强制挤出，可以有效地防止土仓内的泥砂进入主驱动内部，造成部件磨损而失效。虽然盾构机主驱动密封与其它机械设备的密封形式基本相同，但由于盾构机在地下掘进施工中，该密封系统无法在隧道洞室内更换，如果在施工中因密封损坏或磨损间隙过大等问题而造成主轴承齿轮油泄漏或泥砂颗粒进入齿轮箱，引起主轴承或齿轮损坏，导致盾构机瘫痪，将给盾构工程带来非常严重的影响和不可估量的经济损失。可借鉴多参数模拟密封舱技术，通过优化和联合控制各项参数，使盾构机主驱动密封达到更高标准。

1盾构机主驱动密封存在的问题

1.1唇形密封断裂失效

唇形密封出现断裂现象，断裂的原因是唇形密封的安装采用胶粘形式，局部的粘接强度不均匀，而密封与密封衬套相对旋转滑动时，类比水压致裂技术，密封套对密封产生沿圆周方向的切向拉伸力，如果密封粘结局部安装不良，密封粘接强度较低的部位在拉伸力的作用下，逐步造成密封开胶，然后形成应力集中，最终导致密封断裂而失效。因此，驱动密封安装过程中应该避免密封材料的应力集中。

唇形密封断裂的后果是密封腔体内部润滑油脂由于失去密封的阻止而导致向大齿轮系统和轴承箱内泄漏，同时由于密封背部失去压力而前端存在土压力致使泥砂侵入导致唇形密封磨损严重，进而失效。而且还会使润滑油脂消耗量加大，经测算，掘进施工后期较前期润滑油脂使用量增加1000mL/m左右。更严重的是泥砂进入大齿轮箱和主轴承，导致盾构机主驱动减速机构磨损，所幸由于本区间工程掘进距离较短尚未造成盾构机严重故障而停机。

1.2指型密封及密封衬套磨损

指型密封磨损。主驱动解体后检查发现指型密封四道口均有不同程度的非正常磨损，特别是指型密封最外侧，由于直接与泥砂接触，磨损最为严重。在正常掘进过程中，刀盘转速n=1.4rpm，外周唇形密封线速度V=2πrn/60=0.23m/s，温度可达到50℃左右，加之不能确保润滑油脂供应量的充足，密封极易磨损。如图1所示，为盾构机掘进约1.5km后检修时指型密封的状态，其中第一、二道密封唇边已破坏失效，若更长距离推进必然造成盾构停机的严重后果。

图1指型密封磨损

密封衬套的磨损。按照设计要求，指型密封唇口压缩量为7mm，才能确保密封的可靠性。盾构机在使用一定时间后，由于主轴承的密封唇口及泥砂（正常情况下只有第一道密封唇边与泥砂直接接触）与密封衬套长时间相对旋转滑动，唇形密封会在衬套圆周方向上磨出一道约3～5mm的沟槽（槽痕的深度依运行时间的长短和掘进时外部土仓对密封唇口的压力而定），在密封衬套与指型密封和唇形密封相接触的位置均存在不同程度的磨损。由于这种磨损槽痕间隙的存在，会降低主轴承密封唇口的密封性能，并加速密封唇口的磨损，虽然有不间断的润滑油脂填充，当磨损到达一定程度时，密封的压缩量无法对磨损量进行补偿，仍会造成主轴承密封腔体内的润滑油脂无法建立一定的压力，而导致外部泥砂侵入，从而引发主驱动齿轮、主轴承滚柱、滚道以及保持架的损坏。如果不消除槽痕带来的危害性，即使是更换了新的密封，由于槽痕的不平整，唇口和衬套的配合间隙达不到设计要求，密封效果同样不理想。因此，需要修复或更换密封套。

2主驱动密封的改造方案

2.1唇形密封材质的改进

由于三道唇形密封与齿轮之间的距离较近，当主驱动在运行过程中的温度提升到60℃时，密封容易产生粘接强度下降而开胶现象。对此，应选择耐高温的复合型材料。具体的改造方式为：将内周、外周的唇形密封材料全部转变成含氟量较高的合成橡胶。这种橡胶具有耐高温、耐腐蚀等特征，其与其他橡胶相比来看在很多方面占有明显优势，具体如表1所示。

表1各种橡胶特性表

2.2唇形密封形式的改进

由于粘接强度较弱、局部受力不平均等，导致密封断裂问题产生，在对此方面问题的改进过程中，将以往传统的胶粘法进行转变，以压板法的方式替代。根据相关文献可知，不管是盾构机的密封粘接还是摩擦焊，其纵向轴压都能够促进相关部件对滑动的抵抗。在主驱动密封中，在其弧度的安装面上分别安装压板，将以往传统的唇形密封剔除，安装具有压接边缘的唇形密封，使其在安装过后能够展现出一个闭合的环形形状，在接缝处用螺栓固定好。具体的改进方式为：

（1）对原扭腿处进行立车加工，依据相关设计进行钻孔和套丝，在此基础上对压板的半径弧度进行加工和钻孔。

（2）在唇形密封安装面上涂满胶粘剂，避免润滑油从缝隙处产生回流。

（3）保障螺栓的数量和强度，在安装时要注意用力的大小，避免由于受力不均而产生扭曲或者变形。

（4）当螺栓被固定完毕以后，将压板点与螺栓的顶部焊接在一起，保障螺栓不会在运行中脱落。在焊接的过程中，应注意不要将焊渣崩落到密封当中，对整体密封效果产生不良影响。为了防止上述现象发生，可以在焊接之前将密封用防火布包好，避免与焊渣相接触。上述密封改进方案的同时还应注意如密封装配处加工表面的粗糙度、清洁度及装配面的锐边、锐角等因素都将对密封性能与密封件的寿命产生较大影响。

3结束语

综上所述，通过上述对盾构机主驱动密封的研究能够得知，在唇形密封材质上，将以往丁晴转变为含氟的合成橡胶，将会使密封与外壳变得更加可靠。在密封形式上，将以往胶粘法转变为压板法，将能够使密封改造技术与预计效果更近一步。

参考文献：

［1］李润军，单仁亮，李润圣.盾构机主驱动密封维修改造关键技术［J］.西安科技大学学报，2014，34（5）：579-584.

［2］高会中，陈馈，张兵.盾构机主驱动液压控制系统关键技术研究［J］.液压气动与密封，2016，36（11）：64-68.