863盾构机中心回转节结构改进

 863盾构机中心回转节结构改进

周华光

身份证号码：3309021985****3838

摘要:中心回转节是盾构机的核心部件之一，其可靠性直接关系地下施工的安全。本文从863盾构机中心回转节密封件的失效原因及泥水的入侵途径着手，提出了一种密封改进方案，并通过工程实例验证了密封方案的可行性和有效性。

关键词:盾构机；中心回转节；唇口密封

1 前言

盾构机作为隧道掘进的专用工程机械，广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。中心回转节是土压平衡盾构机的重要组成部分，863盾构机上的中心回转节位于盾构机土仓隔板和主驱动的中心，与刀盘连接并同步转动。液压油和土体改良液通过中心回转节内的通道输送至盘体内的仿形刀油缸及刀盘面上的管路。中心回转节若失效，土体改良液不能顺利输送至工作面会造成短时间内刀盘扭矩上升，推进油缸油压上升，最后导致盾构机无法正常掘进的后果。修复中心回转节的工作量巨大，地铁隧道施工往往处于市中心地段，地下抢修需进行工作面土体降水加固或冰冻加固，施工费用高昂。长时间的停工同样会造成不良的社会影响，给现场施工带来压力。因此中心回转节必须具有可靠的机械结构充分保障掘进的安全。863盾构机采用的中心回转节结构密封形式较为简洁，安装方便，但其密封的可靠性受地质影响较大，若应用于砂质地层易导致中心回转节的密封过快磨损，进而产生回转节螺栓松动、断裂的风险，给施工埋下隐患。

2 失效原因分析

863盾构机适用于软土地层，尤其是黏土质地层，其中心回转节上的旋转中心轴与刀盘相连接并跟随其旋转，外壳与盾构机本体部分连接。分配轴上加工了轴向的通道，改良流体及液压油通过中心回转节外壳上的孔进入旋转轴内的轴向通道输送至刀盘盘面，外壳上各流道之间采用唇口密封圈进行密封（如图1所示）。

图1 中心回转节（旧）剖面图

在以往的砂质地层施工案例中，曾发生过中心回转轴大幅跳动，安装螺栓（图2标号3所示）受剪切断裂的现象。工程结束后拆解中心回转节发现轴承箱内充满泥土，轴承滚珠已磨损变形导致整个轴承报废。初步分析是由于径向密封磨损失效后，土仓内泥水侵入轴承箱，轴承滚道面磨损失效，进而导致旋转轴跳动剧烈，同时板结的泥土造成轴承摩擦扭矩急剧上升，轴承箱体受摩擦力矩造成图2标号3处的螺栓松动并剪断。正常工况下，标号3处的螺栓基本不受额外扭矩（仅承受由轴承外圈带来的滚子摩擦扭矩），当轴承进入泥沙出现卡滞后，标号3处承受的扭矩迅速增大，同时轴承磨损带来的振动也传递到标号3处，标号3处的螺栓产生松动后导致受力不均，最终产生了螺栓断裂的后果。

图2 螺栓失效部位示意图

在其他工程中也曾出现过图2标号1和2处的螺栓断裂以及标号4处止转块的变形情况，经分析这些失效现象产生的原因都是由于轴承箱进泥沙，中心回转节扭矩大幅增加导致的。标号1/2/3/4的螺栓强度及现场安装质量决定了其失效的先后顺序。

图3中心回转节（旧）轴承箱及密封示意图

轴承箱进泥的原因是由于旋转轴上的两道唇口密封压密量较小，且没有油脂润滑，唇口密封前方的防尘圈直接接触土体，在粉砂及砂质底层中，缺少润滑的防尘圈迅速磨损，砂土前进继续磨损唇口密封直至密封失效（如图3所示）。泥水进入轴承箱后，轴承的工作环境迅速恶化，无法起到有效支撑的作用，同时本该具备微小角度调节的调心滚子轴承也失去了调心的能力，刀盘与中心回转的同轴度误差被传导至旋转轴处进一步加剧轴承的失效破坏。由于中心回转节的现有结构决定了受损轴承无法拆装，当施工现场出现轴承箱体进泥时，只能采用进入土仓维修中心回转节的措施，既不安全也不经济，因此非常有必要对原有结构进行改制。

3 结构改进介绍

改进后的结构主要从增加泥水进入的难度和提高唇口密封的有效寿命两个方面如入手。由于涉及改制的盾构机施工里程较长，不具备大改的价值，故中心回转的改制需要在满足既有功能的条件下尽量降低改制费用。为增加泥水进入的难度，改制后的中心回转节保留了原有的两道唇口密封，新增了一道二齿平面唇口密封以及直接接触土体的迷宫密封。为增强润滑性增加唇口密封寿命，轴承箱内部新增了2道润滑油脂通道，同时对原有两道唇口密封及新增唇口密封进行润滑。润滑油脂的注入也能在一定程度上起到抵御砂土入侵的作用。新增唇口密封的材料选用聚氨酯，较大的压密量大大提升了唇口密封的能力，使得轴承箱抵抗水土压力的能力得到显著增强。

3.1增加泥水进入轴承箱难度的设计

新结构了保留原有两道唇口密封并取消防尘圈，新增聚氨酯材质的二齿平面密封（如图4所示），密封平面上涂抹洛德AB胶，轴承箱与转动的过渡法兰配合形成迷宫密封，阻止直径1mm以上的砂土的进入，最大限度的减少砂石对平面密封的磨损。

图4 中心回转节（新）密封结构

图5 中心回转节（新）剖面图

3.2 增强唇口密封寿命的设计

轴承箱上新制两个供油通道（如图6所示），通道1在两个唇口密封间供油，增强第二道唇口密封的润滑性；通道2为平面密封供油，在润滑密封的同时，提供一定的背压防止外界压力水土的反穿。通道1的油压比通道2高0.03-0.05MPa，油脂逐级向外输送。

图6 中心回转节（新）油脂通道示意图

按公式Q=0.025BL1（K1+K2）进行油脂消耗量计算（《机械设计手册》第三卷），其中B表示滑动平面的宽度，L1表示滑动平面的长度，中心回转节最高转速1.2rpm，故K1取0.3，K2=6。对于油脂通道1，B=0.1cm，L1=πD=π*24=75.4cm，得到Q单道=0.025BL1（K1+K2）=0.025*0.1*75.4*（0.3+6）=1.2ml/min，Q1= 2*Q单道=2.4 ml/min。对于油脂通道2，B=1cm，L1=πD=π*31.6=99.5cm，得到Q单道=0.025BL1（K1+K2）=0.025*1*99.5*（0.3+6）=15.7ml/min，Q2= 2*Q单道=31.4ml/min。

根据以上计算选取：油脂通道1选用SGQ-41油脂分配器，数量1个，油脂口数量4个，Qmax=8ml/min；油脂通道2选用SGQ-42油脂分配器，数量1个，油脂口数量4个，Qmax=48ml/min。

3.3 紧固件强度计算

正常状态下螺丝强度仅需满足克服密封圈带来的摩擦力，旋转轴上的水道密封8道，油道密封8道，轴承箱内径向密封2道，平面密封1道；忽略滚动轴承的摩擦力矩。

水道密封产生的摩擦力矩由两部分组成：密封自身压密量产生的摩擦力矩以及水道压力左右在密封上产生的摩擦力矩。经过计算，单道密封压密量产生的摩擦力矩为0.3NM（密封压密量2mm，密封硬度90Ha，臂长17.2mm，厚度2.5mm，偏转角16.7°，弹性模量E=21MPa，压力27N，摩擦系数计0.15，轴径160mm）。单道密封在水压1MPa压力下产生的压力约为1810N，相应的摩擦力矩为18.1Nm，故单道密封产生的摩擦力矩约为18.5Nm，8道密封产生的总扭矩T1=148Nm。

油脂通道密封产生的摩擦力矩主要由油压产生，额定油压P=30MPa，压力F≈61826N，相应摩擦力矩为1236Nm，仿形刀工作时4道密封受压，4道密封泄压，故4道油脂通道的摩擦力矩为T2=4944Nm。轴承箱上的径向密封摩擦力矩约为1Nm（两道），平面密封摩擦力矩约为5Nm（密封压密量6.5mm，密封硬度90Ha，臂长23mm，厚度4mm，偏转角18.6，弹性模量21MPa，压力105N，摩擦系数按0.15，轴径160mm），故径向密封和平面密封的摩擦力矩之和为T3=1+5=6Nm。总摩擦力矩T总=T1+T2+T3≈5100Nm。中心回转节改制完成后曾在专业液压厂家的液压综合平台上进行了空载扭矩测试，测得的扭矩数据与理论计算值较为接近。

中心回转节旋转轴上安装一圈M16螺钉，分度圆190mm，数量12个，过渡法兰上安装一圈M16螺钉，分度圆260mm，数量12个，两者螺钉级数均为10.9级，按M16计算应力，得到切应力τ=30.8MPa，考虑交变载荷，计算得到安全系数为S=14.5＞4，强度满足施工要求。

4结语

改制后的中心回转节已用于上海轨道交通14号线8标东新路站~武宁路站区间项目，掘进区间中心回转节运转平稳，无异常现象发生。盾构机完成推进后对中心回转节进行了拆解检查，轴向箱内部润滑良好，未发现渗水渗泥现象，新的密封结构可以有效改善原结构存在的结构缺陷。

参考文献

[1]陈大先 《机械设计手册》化学工业出版社  1969.6

[2]单辉祖 《材料力学》  高等教育出版社  2004.8

[3]汪琪 李钧 《机械设计计算》 中国致公出版社 1998.周华光   15983994528上海市闵行区灯辉路501弄34号602室

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