潤滑脂、HBW脂、盾尾密封脂在法馬通盾構機與海瑞克盾構機上的消耗比較與分析

韓鳳宏

(中鐵十三局集團有限公司，長春 130033)

0 引言

隨著地下空間的開發，采用盾構技術掘進隧道的方法已經建立并正在不斷完善［1］。盾構法施工與其他傳統的地下工程施工方法一樣，最終目標是完成一個特定的地下工程(如地下隧道)，但不同之處在于盾構法采用了特殊的施工工具——盾構機［2］。盾構施工的油脂類消耗材料在施工成本中占有較大的比重，一般每掘進1延m要消耗上千元油脂，其中主要是潤滑脂、HBW脂、盾尾密封脂3種油脂的消耗［3－4］。分析和研究盾構施工中消耗的潤滑脂、HBW脂、盾尾密封脂材料是降低盾構施工成本中不可忽視的環節。不同廠家、不同型式的盾構機在油脂的消耗上是有一定差別的［5］，現分別以深圳地鐵使用的法馬通NTU032.1盾構機和廣州地鐵、成都地鐵的海瑞克S266和S366盾構機為例從設計上和實際的使用中針對以上3種油脂的消耗進行比較分析，并從盾構機的結構上進行比較和分析。

1 海瑞克盾構機與法馬通盾構機在設計上的油脂消耗量比較

1.1 成都用海瑞克S366盾構機油脂的設計消耗量

1.1.1 潤滑脂的設計消耗量

潤滑脂先用氣動泵供到多點泵，再通過多點泵上的每個柱塞泵送到相應的供油點，其中主驅動外密封的3道唇形密封中，只有1個腔室中注入了潤滑油脂，另1個腔室設計成了漏油檢測腔室。油脂量的控制采用的是注脂量控制方式，沒有壓力控制。潤滑脂設計消耗量計算如下:

1)主驅動。內密封為人工注入6÷24=0.25cm3/h，外密封為泵入150×8=1 200 cm3/h。

2)螺旋輸送機。1#螺旋機為80×8+2×6=652 cm3/h，再加上手動2×50÷7÷24=0.595 cm3/h;2#螺旋機為80×8+1.5×4+6×9=646cm3/h，球鉸密封為6×9=54 cm3/h。

3)旋轉接頭。旋轉接頭油道和泡沫通道的密封處為5×50=250 cm3/h，旋轉接頭處軸承輔助人工為0.03～0.06 cm3/h。

4)鉸接密封。輔助人工為6×50÷24=12.5cm3/h。

5)泵入和人工注入量。刀盤旋轉時泵入為1 200+ 652+646+250+54=2 802 cm3/h，刀盤旋轉時人工注入為0.25+0.595+12.5+0.06=13.41 cm3/h。

6)泵入和人工注入總合計。2 802+13.41=2 815.41 cm3/h。

1.1.2 HBW脂的設計消耗量

HBW脂通過氣動注脂泵分8路注到主驅動密封前。注脂量為6.2×8×60=2 976 cm3/h。

1.1.3 盾尾密封脂的設計消耗量

盾尾密封脂通過氣動注脂泵分12路注入到3道盾尾刷組合成的2道腔室中。設計上正常掘進消耗約35 kg/環(1.5 m)=26 923 cm3/環=17 949 cm3/m。

1.2 廣州用海瑞克S266盾構機油脂的設計消耗量

1.2.1 潤滑脂的設計消耗量

廣州用海瑞克S266盾構機潤滑脂的注入原理與控制模式與成都用海瑞克S366盾構機相同。潤滑脂設計消耗量計算如下:

1)主驅動。內密封為手動注入30÷7÷24=0.179 cm3/h，外密封為自動注入6×160 cm3/h=960 cm3/h。

2)螺旋輸送機。自動注入50×8=400 cm3/h，手動注入2×50÷7÷24=0.595 cm3/h。

3)旋轉接頭。旋轉接頭油道和泡沫通道的密封處為5×30=150 cm3/h，旋轉接頭處軸承輔助人工為0.03～0.06 cm3/h。

4)鉸接密封。輔助人工為6×50÷24=12.5cm3/h。

5)泵入和人工注脂量。刀盤旋轉泵入為960+ 400+150=1 510cm3/h，刀盤旋轉人工注入為0.179+ 0.595+0.06+12.5=13.33 cm3/h。

6)泵入和人工注入總合計。1 510+13.33=1 523.33 cm3/h。

1.2.2 HBW脂設計消耗量

海瑞克S266盾構機未設計此系統。海瑞克盾構機的主驅動密封處設計安裝有帶硬表面的軸承保護套，具體結構見圖1。此軸承保護套磨損后可以調節、可更換。保護套的檢查、調節可以在盾構施工中進入土倉中進行檢查和調節，也可以在盾構施工結束后刀盤和主驅動解體后進行，軸承保護套的更換必須在刀盤和主驅動解體后進行。根據使用經驗檢查和調節的頻率可以在一個盾構項目結束后進行。

1.2.3 盾尾密封脂設計消耗量

盾尾密封脂通過氣動注脂泵分12路注入到3道盾尾刷組合成的2道腔室中。正常掘進大約消耗35 kg/環=26 923 cm3/環=17 949 cm3/m。

圖1 主驅動外密封結構圖Fig.1 Sealing structure of main drive

1.3 深圳用法馬通NTU032.1盾構機的設計消耗量

1.3.1 潤滑脂的設計消耗量

潤滑脂通過氣動泵供到相應管路的油脂分配器上，再送到相應的供油點;其中主驅動的內、外密封的3道唇形密封構成的2個腔室中都注入了潤滑脂。潤滑脂注入量的控制采用了壓力和油量雙重控制方式。潤滑脂設計消耗量計算如下:

1)主驅動。內密封(里側和外側分別有3路注入)注潤滑脂量為18×60=1 080 cm3/h，外密封(里側和外側分別有3路注入)注潤滑脂量為27×60=1 620 cm3/h。

2)旋轉接頭。2條管路注入，潤滑脂注入量為2×0.1×60=12 cm3/h。

3)鉸接密封。共分為6根注入管路。在鉸接回收模式下，潤滑脂注入量為6 000 cm3/h;在掘進模式下，潤滑脂注入量為100 cm3/h。

4)螺旋輸送機。在伸縮的模式下，潤滑脂注入量為20×60=1200cm3/h;在掘進模式下，潤滑脂注入量為20 cm3/h。

5)合計消耗量。刀盤旋轉掘進模式下泵入為1 080+1 620+12+100+20=2 832 cm3/h。

鉸接回收模式和螺旋伸縮模式是在施工中很少使用的2種狀態(計算時不計入)。

1.3.2 HBW脂設計消耗量

HBW脂通過氣動注脂泵注到主驅動密封和旋轉接頭前。HBW脂設計消耗量計算如下:

1)主驅動。外密封分6路，注脂量6×20×60=7200 cm3/h;內密封分為4路，注脂量4×22×60=5 280 cm3/h。

2)旋轉接頭處。分出1路，注脂量22×60=1 320 cm3/h。

3)合計消耗量。刀盤旋轉泵入為7 200+5 280+ 1 320=13 800 cm3/h，根據設計圖平均消耗量為140 cm3/min=8 400 cm3/h。

1.3.3 盾尾密封脂的設計消耗量

具體計算如下:

1)盾尾刷處。盾尾密封脂通過氣動注脂泵分12路注入到3道盾尾刷組合成的2道腔室中，盾構機以8 cm/min速度掘進，盾尾脂消耗2 L/min=37.5 L/環(1.5 m管片)。

2)鉸接密封處。布設管路分為4路，在鉸接模式下消耗量為1 L/12 h。

3)安全門密封。共設有1根管路，在安全門開/關的模式下消耗量為1 L/24 h。

4)螺旋機伸縮節密封。共設有1根管路，在螺旋輸送機伸/縮的模式下消耗量為1 L/24 h。

1.4 海瑞克 S266盾構機、S366盾構機、法馬通NTU032.1盾構機的設計消耗量比較

根據以上分析計算得出海瑞克和法馬通盾構機設計消耗情況如表1。

表1 盾構機油脂設計消耗比照表Table 1 Comparison and contrast among different shields in terms of designed grease consumption quantity

2 海瑞克S266盾構機與法馬通NTU032.1盾構機的實際消耗情況比較

深圳地鐵2號線東延線土建2223標段蓮花山站—福田站區間的左右線采用的是盾構法施工，2條線的水文地質條件相似，地表情況也相近。左線盾構施工使用的是用新出廠的法馬通NTU032.1盾構機，而右線使用的是已經完成過4個盾構項目合計掘進里程已超過8 km的海瑞克S266舊盾構機。2條線2臺盾構機實際消耗的3種油脂情況見表2和表3，2種型式盾構機消耗油脂的比較見表4。

表2 蓮花山站—福田站區間左、右線盾構消耗油脂比較表Table 2 Comparison and contrast of grease consumption quantity:case study on shields for left tube and right tube from Lianhuashan Stationto Futian Station

表3 盾構機消耗每桶油脂實際和設計上能掘進的環數比較表Table 3 Comparison and contrast between actual rings and designed rings per barrel of grease

從以上數據及表2，3，4中可得出如下結論:

1)在同樣地層、地貌和施工條件下，在盾尾脂的消耗上法馬通NTU032.1盾構機是海瑞克S266盾構機的1.68倍，設計上是1.39倍;在潤滑脂的消耗上法馬通NTU032.1盾構機是海瑞克S266盾構機的2.724倍，設計上是其1.86倍。

2)法馬通NTU032.1盾構機每掘進1環需消耗HBW脂7kg，而海瑞克S266盾構機根本就不使用HBW脂。

3)從表3中可看出，盾尾脂和HBW脂的實際消耗小于設計消耗，說明在實際的使用中可能存在2種情況:一是盾構司機根據實際的使用狀況加強了對盾尾脂和HBW脂的消耗控制，二是也可能存在2種油脂注入量不足的問題。因此要加強此2種油脂的注入監控管理。從表3中還可看出潤滑油脂的實際消耗量大于設計消耗量，說明潤滑油脂在使用管理上可能存在問題，如人工注入油脂管理不善，浪費嚴重或者存在著過量注入的現象。

表4 實際和設計上法馬通NTU032.1/海瑞克S266油脂消耗量之比Table 4 Comparison and contrast between NFM shield and Herrenknecht shield in terms of actual grease consumption and designed grease consumption

3 海瑞克S266、S366盾構機與法馬通NTU032.1盾構機的油脂消耗差異性分析

3.1 結構差異對比分析［6－7］

3.1.1 海瑞克S266、S366盾構機

3.1.1.1 主驅動密封和潤滑

1)結構圖。見圖2(a)。

2)結構特點。①海瑞克S266盾構機主軸承直徑是2 600 mm，海瑞克S366盾構機主軸承直徑是3 000 mm。②有3道唇形外密封，2道唇形內密封，分別只有1個腔室需要注潤滑脂;S366盾構機設計有HBW和EP2 2種密封和潤滑系統;S266盾構機只有EP2密封潤滑系統。③設計有磨損超限滑動保護套，可以實現減少潤滑脂的消耗量，當保護套磨損量大影響密封時更換保護套。

3)消耗分析。①內、外密封只在1個密封腔室中注潤滑脂，另1個腔室作為判別密封好壞的漏油檢測腔室，由于注入的腔室數少，油脂消耗小。②內密封不暴露在土倉中，不受土倉壓力及渣土的影響，可減少油脂消耗。③磨損超限后可更換滑動保護套，提高主軸承的壽命，可減少注入潤滑脂及時更換滑動保護套。④S266盾構機沒有HBW密封脂系統，S366盾構機的HBW脂系統只對外密封進行充注，內密封不充注，消耗量小。⑤只采用注脂量控制模式，注脂消耗量小。

3.1.1.2 螺旋輸送機

1)結構圖。見圖2(b)。

2)結構特點。①螺旋輸送機驅動采用球鉸形支撐連接方式，螺旋軸可以自由擺動，有利于螺旋軸的受力和力的傳遞。②潤滑密封方式與主驅動的密封潤滑方式相同。

3)消耗分析。由于球鉸處和輸出軸處都同時需要注潤滑脂，油脂的消耗量較法馬通盾構機要大。

3.1.1.3 旋轉接頭

1)結構圖。見圖2(c)。

2)結構特點。①旋轉接頭不暴露在土倉里，直接連到刀盤背面，不需要注HBW密封脂。②單獨設有5根油脂管分注到旋轉接頭的泡沫密封管處。

3)消耗分析。①只需注入少量潤滑脂進行旋轉接頭的潤滑和泡沫腔室密封用。②旋轉接頭處泡沫腔室的注脂密封管路是各自獨立的，一處泡沫密封出現問題不會影響其他注脂系統的使用。

3.1.1.4 盾尾密封系統

1)結構圖。見圖2(d)。

2)結構特點。①盾尾刷焊接在尾盾鋼環的臺下，可通過鋼環構成的臺有效地保證管片拼裝上后尾刷能構成有效的密封腔室。②盾尾的結構保證了盾尾刷厚度可達到30 mm左右，可有效保證形成的密封腔室的有效性。

3)消耗分析。①盾尾刷焊在鋼環臺下，容易構成有效的密封腔室。②盾尾刷厚鋼絲、多密封、效果好，可減少油脂的消耗量。

3.1.2 法馬通NTU032.1盾構機

3.1.2.1 主驅動密封和潤滑

1)結構圖。見圖3(a)。

2)結構特點。①主軸承直徑3 000 mm，主軸承的內、外密封全部暴露在土倉中。②有內、外3道唇形外密封，對構成的2個腔室全部進行注脂潤滑，同時主軸承設有水冷卻系統，對內、外密封進行冷卻。③有HBW和EP2 2種密封和潤滑系統。④油脂的注入采用了壓力控制和注脂量雙重控制。

3)消耗分析。①內、外密封的2個腔室中都注潤滑脂，注入的腔室數較海瑞克機器要多，油脂消耗量大。②內、外密封都暴露在土倉中，受土倉壓力及渣土的影響，為保護主軸承需加大油脂注入量。③沒有磨損超限保護套，為確保主軸承的使用壽命和可靠運行，在設計上內、外密封的迷宮處都注有HBW脂，油脂消耗上較海瑞克機器大。④為提高主軸承壽命，在唇形密封較軟的條件下為確保可靠密封及潤滑的可靠同時采用了注脂量和注脂壓力2種控制模式，在油脂的消耗上較海瑞克機器大。

3.1.2.2 螺旋輸送機

1)結構圖。見圖3(b)。

2)結構特點。①螺旋輸送機驅動采用2個圓錐滾子軸承支撐傳動軸的方式，螺旋軸呈懸臂支出狀態。②潤滑密封方式與主驅動的密封采用3道唇形密封的潤滑方式相同，但不用HBW密封脂。

3)消耗分析。只有軸承處注潤滑脂，因而油脂消耗量小。

3.1.2.3 旋轉接頭

1)結構圖。見圖3(c)。

2)結構特點。①旋轉接頭伸到土倉里，直接與渣土互相接觸，即要注HBW脂又要注潤滑脂。②只設有2根油脂管路接到1個油脂腔中，再分到泡沫密封腔的4個注脂點處。

3)消耗分析。①為封住土倉內的渣土需要注入較多的潤滑脂和HBW脂。②泡沫腔室的注脂密封管路是并聯設置的，一旦有一處密封不嚴就會造成全部的注脂系統失效或密封脂消耗量大增。

圖2 海瑞克HRKS266、S366盾構機油脂消耗部位結構Fig.2 Structure of grease comsunption parts of Herrenknecrt shield

3.1.2.4 盾尾密封系統

1)結構圖。見圖3(d)。

2)結構特點。①盾尾刷焊接在尾盾鋼環的臺上，管片拼裝上后直接壓到尾刷上，易將盾尾刷壓平，構成的密封腔室效果差，不易保壓和易產生漏漿。②盾尾的結構決定了盾尾刷厚度只能達到25 mm左右，尾刷薄鋼絲少，構成的密封腔室的有效性比海瑞克機器差，油脂消耗量較海瑞克大。

3)消耗分析。①盾尾刷焊在鋼環臺上，不易構成有效的密封腔室。②盾尾刷薄鋼絲、少密封、效果差，加大了油脂的消耗量。

圖3 法馬通NTU032.1盾構機油脂消耗部位結構Fig.3 Structure of grease comsunption parts of NFM shield

3.2 小結

1)法馬通盾構機與海瑞克盾構機在油脂消耗上的差異性是由2種盾構機的結構型式的差異性所決定的。

2)從2種盾構機在油脂消耗部位在結構上的差異性可看出法馬通盾構機油脂消耗量較海瑞克盾構機油脂消耗量要大。

4 結論與建議

通過以上對海瑞克S266和S366盾構機與法馬通NTU032.1盾構機的分析和對比可得出如下結論及建議:

1)同機型和同規格的法馬通盾構機與海瑞克盾構機相比在潤滑脂、盾尾密封脂、HBW潤滑密封脂上的消耗都高，這些油脂消耗高的原因是由2種機型的盾構機不同的結構特點所決定的。

2)在實際使用法馬通盾構機和海瑞克盾構機中要充分了解這2種盾構機的特點，將消耗控制在合理的范圍內，不要片面追求降低油脂的消耗而出現不必要的失誤和損失。

3)本文對盾構機的油脂消耗進行了對比分析，雖然還沒有全面地反映出2種盾構機的綜合性價比指標，但可為生產、設計和使用盾構機的單位提供一定的借鑒和指導，也為系統地分析和研究盾構機從一個方面進行了積極的探索和嘗試。

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