TBM主軸承密封系統洞內修復

賈 峰

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450003)

0 引言

南疆吐庫二線鐵路中天山隧道右線使用的TB880E型掘進機是1997年鐵道部從德國引進的首臺全斷面敞開式硬巖隧道掘進機，先后承擔了秦嶺隧道、磨溝嶺隧道的掘進任務，其后閑置達5年之久。2007年9月中天山隧道進場前，對TBM設備進行了系統的整修，截至目前，該設備在中天山隧道掘進達12 km，累計掘進已超過22 km。

掘進機是集機、電、液于一體的隧道施工機械，主軸承為掘進機的核心部件，其運行狀態決定著設備的使用壽命，也影響著設備的工作效率。主軸承密封是隔斷外界與主軸承的屏障，若施工過程中主軸承密封受損，則會出現漏油、進水、串脂、進粉塵現象，從而嚴重影響設備的使用壽命。文獻［1］探討了主軸承密封出現故障后拆解刀盤和主軸承密封修復工藝;文獻［2］介紹了通過油樣檢測對主軸承密封進行故障診斷;文獻［3］介紹了更換主軸承耐磨環的思路、工作程序、實施辦法和注意事項;文獻［4］介紹了洞內更換密封的過程和密封失效的原因。主軸承的地位十分重要，一旦停機，洞內處理難度增大，將嚴重延誤施工工期［5］。本文提出了主軸承密封系統失效后，通過優化傳統修復工藝，針對問題提出創新修復工藝來修復主軸承密封系統，延長主軸承的使用壽命。

1 主軸承系統概況

1.1 主軸承結構及安裝方式

TB880E型隧道掘進機刀盤驅動主軸承為三列圓柱滾子組合軸承，其外徑5 200 mm，滾道直徑約4 500 mm，可承受極大的推力載荷和刀盤傾覆力矩。通過72根M56－10.9級液壓預緊高強度螺栓與齒輪箱聯接，內齒圈以64根M64－10.9級液壓預緊高強度螺栓與刀盤聯接，外圈以80根M72－10.9級液壓預緊高強度螺栓與前內機架聯接(如圖1所示)。

圖1 主軸承結構及安裝示意圖Fig.1 Structure and installation diagram of main bearing

1.2 主軸承密封系統

主軸承設有外密封和內密封2套密封系統防止塵碴和水的侵入(見圖1)，內、外密封均包括迷宮密封和3道唇形密封。其中，2道密封朝向灰塵可能侵入側(即刀盤方向)，1道密封朝向軸承潤滑油側。刀盤側2道密封形成的空腔連續不斷地泵入油脂，油脂在空腔內蠕動，擠出后流向唇形密封前面的迷宮密封中。由于油脂不斷泵入，最終通過迷宮密封排出，并將迷宮內的雜質攜帶出去，保證主軸承內的清潔。中間唇形密封和朝向潤滑油的唇形密封之間的區域連續不斷地被潤滑油沖刷，這樣可以保證密封的潤滑［6－8］。

密封接觸表面進行了硬化處理和磨削加工，在正常條件下，可使密封經久耐用。如果表面出現磨損或需更換密封件，可將他們單獨移動到新的表面上，而不需更換耐磨環。

1.3 主軸承的特點

主軸承和驅動組件采用強制循環潤滑系統進行潤滑。齒輪和主軸承區域被密封隔開，只允許潤滑油從主軸承進入齒輪箱，防止齒輪運轉產生的磨粒進入軸承。從潤滑油循環系統的過濾器中取出的油樣可以用來檢查密封系統的狀況［9］。

主軸承是TBM最關鍵的核心部件之一，其狀況直接影響到TBM的掘進性能。使用過程中如果出現故障，由于洞內作業空間狹小，修復工作將非常困難。

2 主軸承油水檢測及故障診斷

2.1 油水檢測

2012年7—8月發現主軸承內迷宮處出脂口溢出的油脂不均勻，發現內圈出脂口和迷宮磨損嚴重，主軸承齒輪油進潤滑脂較大，檢查結果顯示齒輪油的機械雜質達到0.04%，有水分和粉塵進入。

2.2 故障排查

主軸承內圈有大量串脂和粉塵進入，說明主軸承內圈唇形密封有一定的損傷或耐磨環已磨成溝槽狀;對主軸承密封進行液壓沖洗后發現有齒輪油溢出現象，說明內圈耐磨環已被磨損;刀盤螺栓孔處有游離水、粉塵、油脂，說明主軸承密封有一定損傷［10］;氣密試驗未發現粉塵和水從呼吸器、冷卻器、齒輪油箱蓋、小齒輪軸承蓋板等處進入主軸承和齒輪箱。綜上所述，內圈密封已經出現了損壞，因此，需要拆解主軸承，更換唇形密封。

3 故障處理方案及實施

3.1 制定方案

由于主軸承位于刀盤內部，需要將刀盤與主軸承脫離才能對故障進行處理。先拆除48顆刀盤聯接螺栓，預留對角各8顆螺栓，對刀盤進行固定，拆除刀盤預留的連接螺栓，主機退后1.2 m，然后對主軸承故障進行維修處理。

3.2 刀盤固定及脫離

3.2.1 刀盤固定

刀盤的固定主要采用錨桿和鋼板墊塊。利用刀盤上部的3個刮碴孔向周邊巖壁進行鉆孔，并分別埋設5根φ 22錨桿，在下部左右兩側各施作2根φ 22錨桿，然后利用錨固好的錨桿與刀盤焊接連成一體來固定刀盤。將鋼板墊塊疊加電焊在一起作為刀盤支撐墊塊，分別安裝在刀盤下部5個支撐點。

3.2.2 刀盤與主軸承脫離

刀盤墊好后，對刀盤與主驅動預留的聯接螺栓逐一松動，消除存在的應力，防止機體與刀盤分離時發生較大位移。刀盤固定后，用2個50 t千斤頂裝設在刀盤后端鋼板與護盾之間，使刀盤與主驅動定位銷脫離，主機內凱后退1.2 m，以提供更換密封所需的作業空間，文獻［1］中已詳細地介紹了刀盤與主軸承脫離的工序。

3.3 主軸承故障分析及維修

3.3.1 主軸承拆解及故障分析

主軸承內圈迷宮密封分別有6塊迷宮組成，對內、外迷宮依次進行編號，防止修復后和安裝時出錯，然后拆除迷宮。拆除后發現內、外迷宮磨損嚴重(見圖2)，內密封的耐磨鋼帶已經斷裂脫落;唇形密封取出后，發現第1道密封已被鋼帶刺穿(見圖3)，其余密封基本已變形失效;拆除內圈其他附件后，發現耐磨環上完好的鋼帶已被磨損成溝槽狀(見圖4)。

經分析研究，總結出故障發生的原因有:1)外側的鋼帶斷裂并脫落，導致第1道密封刺穿，造成第1道密封完全失效。2)耐磨鋼帶的磨損導致密封唇口與耐磨環的配合間隙達不到設計和使用要求，密封效果不理想，無法形成連續的阻隔帶。3)主軸承內迷宮密封和外迷宮的3道唇形密封磨損嚴重，間隙過大，無法起到密封作用，導致水和粉塵進入主軸承內部。

3.3.2 主軸承密封系統維修及安裝

3.3.2.1 迷宮密封修復

迷宮能有效地保護內圈密封，一方面能夠阻隔大塊石子進入密封，另一方面，密封內不斷涌出的油脂可以將顆粒小的石子及粉塵排出。迷宮間隙過大，粉塵、水等雜質就會進入主軸承，對主軸承造成毀滅性破壞，所以，修復迷宮的成敗決定了密封更換的成敗。

現需要將磨損嚴重的迷宮焊接修復，使其性能接近原設計標準(見圖5)。在修復過程中，大量的焊接會導致迷宮弦長變大(迷宮為圓弧狀)和上翹，致使迷宮無法安裝，修復失敗;其次，外迷宮為不動體，內迷宮為旋轉體，修復后要保證唇口的間隙，減少旋轉對內、外迷宮的磨損。

圖5 原設計迷宮Fig.5 Original design of labyrinth

1)外迷宮修復。采用100 mm的鋼板做為基座，將迷宮和鋼板接觸面打磨平整，將迷宮放在鋼板上，通過段焊來固定迷宮(見圖6)，在迷宮的唇道加焊鍵條，最后進行打磨。

圖6 修復外迷宮Fig.6 Outside labyrinth repairing

2)內迷宮修復。以1個修復好的外迷宮為基準安裝在主軸承上，將所有內迷宮通過螺栓固定在主軸承上加鍵條焊接修復(見圖7)，在內迷宮修復過程中，對1塊迷宮焊接一段后再與其他迷宮進行輪換焊接，防止焊接時間過長引起迷宮變形。

圖7 修復內迷宮Fig.7 Repaired inside labyrinth

在2個內迷宮的接頭處，由于沒有螺栓固定，焊接過程中會出現變形(見圖8)，在內迷宮焊接完成后，將變形的迷宮再進行修復處理(見圖9)，將修復好的內、外迷宮安裝在主驅動上，完成迷宮的修復(見圖10)。

3.3.2.2 更換耐磨鋼帶

1)耐磨環凹槽的加工。清除凹槽表面含粉塵的潤滑脂，找出原耐磨鋼帶的接頭部位，做好標識。用拋光機砂輪片把損壞的原耐磨鋼帶切斷，將原耐磨鋼帶沿粘合面撕脫，清理凹槽內的殘留物，用拋光機把凹槽受損部位打磨光滑平整，并在耐磨環凹槽兩側標示油道位置，測量并記錄油道孔尺寸(見圖11)。

清洗凹槽表面，用可塑鋼修補劑修補耐磨環上被唇形密封磨損的形成凹槽，可塑鋼修補劑生效后用刀片刮平，如圖12和圖13所示。

2)耐磨鋼帶的切割。為了使耐磨鋼帶與耐磨環粘合達到好的效果，需用拋光輪清除鋼帶表面打磨所產生的灰塵，見圖14。

將鋼帶起始端按入耐磨環最頂端的凹槽內，用專用夾具壓緊耐磨鋼帶一端(見圖15)，將整條耐磨鋼帶逐步按入耐磨環凹槽，每2 m安裝一個專用夾具。當耐磨鋼帶兩端重疊時，檢查耐磨鋼帶與耐磨環凹槽的間隙，確保整條耐磨鋼帶壓緊在耐磨環凹槽上。

在兩端的搭接處用劃針劃出耐磨鋼帶的切割位置，切割后，鋼帶兩端應有焊接用的5 mm接縫間隙(見圖16)，以便下一步的焊接。

3)耐磨鋼帶安裝緊固。將1895粘結膠按比例混合調和后均勻地涂抹在耐磨鋼帶粗糙的粘結面上(見圖17)，兩端預留30 mm(見圖18)，確保下一步能干凈地進行接縫焊接。

用專用夾具夾住起始端，從接縫位置按順時針方向將耐磨鋼帶連續按入凹槽，并安置寬約32 mm的打包機彈簧鋼帶(見圖19)，扳動打包機，使耐磨鋼帶能拉緊。

圖19 打包機壓緊鋼帶的安裝位置Fig.19 Position of clamping device

4)接縫焊接。耐磨鋼帶夾緊后，用氬弧焊機對耐磨鋼帶兩端接縫進行點焊(見圖20)，拆掉打包機的彈簧鋼帶，將整個焊縫焊滿。

圖20 點焊接口Fig.20 Spot welding of joint

由于焊縫高于耐磨鋼帶，需對焊縫進行仔細打磨，使耐磨鋼帶焊縫有較高的光潔度(見圖21)。

圖21 打磨后的焊縫Fig.21 Ground welding seam

焊縫冷卻后，將新混合的膠合劑與金屬切屑混合，通過注膠孔注入耐磨鋼帶接縫部位，注滿后用堵頭把2個口堵住。膠變硬后，除去表面保護用的粘膠帶和粘結膠殘留物。

根據原來油道孔的標識，用磁力鉆在鋼帶與耐磨環對應位置打出油道孔，開啟油脂泵，使油道泵出油脂(見圖22)，排出打孔產生的鐵屑，清潔各工作面。

3.3.2.3 密封安裝

此TBM的密封有3種安裝方案，見圖23。在主軸承運行過程中，唇形密封的唇邊易把耐磨鋼帶磨損成溝槽狀，導致密封效果不佳，嚴重時導致鋼帶斷裂，刺穿密封。在密封效果不佳且耐磨鋼帶完好的情況下，可以按方案1—方案2—方案3的順序依次對密封進行換位，避開耐磨鋼帶的溝槽來改善密封效果。由于不需要更換鋼帶，從而節省了維修時間，提高了設備的利用率。

由于TBM已經嚴重老化，迷宮等保護密封的關鍵部位都已磨損，其性能已經不能達到設計要求。修復主軸承采用方案2進行，一方面，第1道密封的檔圈可以有效保護密封;另一方面，密封效果不佳時，只通過密封換位就可以解決故障，不需要更換鋼帶。利用專用工具依次安裝內圈密封部件，在安裝前2道密封時，在其唇口內涂滿油脂(見圖24)。

圖24 安裝內密封Fig.24 Positioning of inner seal

3.4 刀盤復位

耐磨鋼帶和密封更換完成后，依次安裝其他部件。拆除作業平臺，清潔結合面，把定位銷安裝到位，推進主驅動，使刀盤與主驅動結合。利用螺栓拉拔器十字方向安裝刀盤連接螺栓，對稱預緊后最終緊固到位。拆除刀盤固定裝置，恢復掘進狀態。

3.5 處理效果

經過20 d的努力，完成了主軸承修復工作，掘進工作恢復正常。在1個月內掘進150 m，通過對主軸承潤滑系統的油樣進行分析，未發現水、機械雜質超標，更換濾紙袋也未發現有粉塵進入，主軸承內、外圈出脂狀況良好，主軸承運轉正常，表明此次主軸承密封修復成功。

4 結論與建議

通常情況下，主軸承洞內維修需要通過迂回導洞開挖擴大側室，且耗時長，損失大。本次主軸承密封修復工作沒有對洞室進行擴挖，只是改變修復工藝，對傳統的修復工藝進行了改革創新，并且針對問題提出新的修復工藝，通過此次修復，能夠延長主軸承的使用壽命。

在今后TBM施工過程中，必須加強油水檢測力度，結合鐵譜、光譜分析技術對油質的性能指標和磨損磨粒、污染度等進行檢測。詳實記錄油樣檢測數據，根據油水的檢測結果對主軸承內部情況進行分析，并且對主軸承外圍定期進行檢查，對主軸承出現的異常情況做出及時處理，防止此類故障的再次發生。

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