TB880E型隧道掘進機主軸承損壞原因分析

張紅耀

(中鐵隧道集團專有設備中心，河南 洛陽 471009)

TB880E型隧道掘進機主軸承損壞原因分析

張紅耀

(中鐵隧道集團專有設備中心，河南 洛陽 471009)

TBM施工過程中主軸承出現故障損壞的案例時有發生，常會造成非常嚴重的后果。大多數的軸承損壞事件都或多或少地與人的因素有關，單純的軸承質量問題事件很少，為了減少軸承損壞事件的發生，現依托南疆線吐庫段增建二線鐵路工程二標中天山隧道，以TB880E型隧道掘進機主軸承故障為例，介紹了故障產生的過程、處理方案以及監測技術應用情況；重點結合主軸承的拆解結果，從TBM的組裝調試、掘進操作、維修保養和故障處理等各個環節系統分析主軸承損壞的原因及所造成的影響，并提出TBM組裝調試、操作維護等方面的建議。

TB880E型隧道掘進機；TBM主軸承；潤滑；油水監測；超載；裝配；油脂質量

0 引言

在TBM的眾多部件中主軸承是重要部件之一，主軸承廠商不公開的資料顯示，TBM主軸承的使用壽命能達到設計壽命的只有5%，95%的主軸承都在還沒有達到其設計壽命前由于各種原因而損壞。主軸承在施工過程中損壞的案例時有發生，更換時間長、難度大、對工期的影響大，造成的負面影響大。正因為如此，主軸承損壞后施工單位和設備商往往不愿對外聲張，大都內部悄悄處理，最終使損壞原因撲朔迷離，難以查清，給整個TBM施工行業帶來了不利影響。

在TBM主軸承使用領域，文獻[1]介紹了洞內更換內密封過程，分析了內密封失效的原因，進而提出相應措施；文獻[2]介紹了洞內修復主軸承密封系統；文獻[3]主要介紹了主軸承洞內更換方案，對主軸承損壞情況進行了描述，對主軸承故障產生的原因做了簡單推測；文獻[4]對主軸承進水事故進行了詳細的分析判斷；文獻[5]對如何運用油樣分析的方法診斷主軸承故障做了詳細研究；文獻[6-7]對主軸承常見故障進行了分析，并在維護保養方面提出了建議；文獻[8] 從狀態監測、維護保養及運行操作3個方面，針對不同的側重點，分別提出了避免和減少主軸承密封系統故障的對策。

以上均著重對主軸承密封系統及主軸承的洞內更換方案進行了研究，對主軸承在使用過程中所發生的故障原因，特別是主軸承主體損壞的原因做系統研究的很少，而主軸承主體損壞所造成的損失往往比密封系統故障要大得多，原因也更復雜。研究主軸承損壞的原因，從中總結出經驗和教訓，避免類似情況的再次發生，是本文研究的主要內容。依據TB880E型掘進機在南疆吐庫二線中天山隧道施工過程中出現的主軸承損壞事件重點進行了探討。

1 TB880E刀盤及主軸承簡介

TB880E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，刀盤為面板式結構，由維爾特公司生產，刀盤直徑為8 800 mm，分為基本對稱的2個半圓塊，2塊刀盤用螺栓連接，刀盤結合處焊接加固。

主軸承是3列圓柱滾子軸承，主推軸承為雙排滾子軸承，徑向和副推為單排滾子軸承，主軸承外徑5 200 mm，滾刀直徑4 500 mm。軸承由軸承箱和齒輪箱2部分組成，由1道條形密封將二者分成2個獨立密閉的腔室，防止齒輪箱內的雜質進入軸承箱。軸承的內外圈密封系統均采用3道橡膠唇形密封，F1注齒輪油，F2注EP2，O1為沖刷油道，主軸承正常工作時不使用，密封之間由隔離環隔開。主軸承外密封示意圖見圖1。

圖1 主軸承外密封示意圖

TB880E在磨溝嶺隧道施工前更換了新的主軸承，完成掘進4 653 m，于2002年運往新鄉存放。 2007年9月開始進行檢修，準備用于中天山隧道。施工前對主軸承進行了檢查，對2塊刀盤的結合面進行了簡單打磨清洗處理后對接。

2007年10月全部運到中天山隧道進口工地，2007年11月2日開始步進，2007年12月6日開始正式掘進，2013年9月14日貫通，共掘進13 644 m。

2 故障描述及過程處理

2008年1月18日發現內圈沒有出脂，檢查后發現分配閥處的油管接錯，隨即進行改正，但內圈出脂仍然相對較少，而外圈正常。2008年2月3日，發現有油脂進入主軸承齒輪油內，2008年3月25日齒輪油中的機械雜質開始超標，鐵譜和光譜分析顯示主軸承齒輪油內開始有嚴重金屬磨粒，鐵、銅和硅元素超標，及時進行了換油處理。為了防止雜質進入主軸承內部，2008年4月20日恢復液壓油沖刷系統，但又發現齒輪油黏度快速下降，2008年5月20日召開了專題會，決定采用以下措施。

1)主軸承齒輪油的黏度降低部分原因是沖洗內圈的液壓油進入齒輪箱所致。為了保證沖刷系統正常運行，又不使液壓油進入齒輪油中，將齒輪油分出一支(1 L/min，1.5 MPa)供給內圈沖刷，這些齒輪油最終又回到齒輪油箱，不影響主軸承油潤滑系統的正常工作。

2)為了確保主軸承內圈出脂狀況正常，用給K氏供脂的泵給主軸承內圈供脂，并加大供脂量(由原來的23.5 mL/min提高到35 mL/min)。具體方法是：供主軸承脂的泵只給主軸承外圈供脂，脈沖減半；供K氏脂的泵給主軸承內圈供脂；K氏在換步和保養時供脂。

2008年4月23日第一次發現大量石粉和水進入齒輪油，一直到2008年7月12日換油時才把問題找到并解決，原因是齒輪油箱的密封墊壞了和經常用水沖洗油箱上的粉塵。

盡管采取了以上措施，但主軸承的情況仍沒有根本性改善。2008年6月16日機械雜質增長速度逐漸加快，情況逐漸惡化，7月10日油箱底部發現銅塊和粉塵，同時機械雜質超標，9月12日發現銅片和密封碎片以及大量粉塵，10月5日開始出現疑似被碾壓過的鐵塊，見圖2。

圖2 油箱底部發現的鐵塊

為了控制主軸承潤滑系統故障的進一步惡化，經專家會討論決定采取以下措施：

1)加強主軸承潤滑油脂的供應，確保出脂封塵效果，各班密切觀察。

2)提高PLC程序設定保護，將PLC脈沖次數限制提高為25次報警，20次停機，作為保護手段。

3)在主軸承內圈出脂口暴露部分加焊防護裙邊，減少粉塵進入潤滑油脂的可能性。

4)在主軸承油潤滑系統中，使用濾脂袋，加強對潤滑油中污染物的過濾，改善潤滑狀況，降低主軸承油潤滑系統污染對機械磨損的影響。

5)加強檢測，密切跟蹤掌握主軸承潤滑系統狀況。

6)訂購主軸承唇形密封，做好更換密封的準備工作。

7)根據檢測結果，適當加大換油頻率，改善潤滑狀況。

訂購的主軸承唇形密封于2008年12月30日到達工地，2009年1月3日至2009年1月17日停機14 d 對主軸承唇形密封和防塵、防油密封及其他相關密封圈進行了更換。

主軸承密封更換后正常運行了1個多月，2009年2月24日晚主軸承齒輪油又突現雜質，觀察發現刀盤與主軸承間加焊的16塊連接筋板有5塊裂開；進一步觀察發現，擴孔刀對應方向主軸承防油防塵O型密封處有漏油現象，故基本可以判斷是從防塵防油密封處進的雜質，于3月1日再次停機，經檢查和檢測，主軸承狀況如下：

1)從2008年10月5日開始出現大塊鐵屑的現象一直沒有停止，經專家對鐵屑實物進行辨認并做物理分析確認鐵屑主要來源于主推力軸承的滾道和滾柱。

2)在檢查主軸承的跳動時發現軸向跳動正常，徑向跳動嚴重超標(標準值為0.1～0.3 mm，實測值為1.2 mm)。專家認為主要是由徑向軸承磨損、間隙加大導致軸承下沉造成的。

3)主軸承出脂情況良好。

4)主軸承油箱內仍然有大量雜質，會加劇軸承的磨損。

5)根據鐵譜、光譜分析報告顯示，鐵元素含量還是偏高，屬非正常磨損磨粒，磨損情況還有待繼續抽樣檢測觀察。

維爾特公司專家對主軸承的狀況進行了鑒定，認為此軸承雖然已出現故障，但采取增大潤滑油(脂)量、降低推力和系統加裝濾脂袋等保護措施，同時加強油樣監測、加大換油頻次可以完成剩余工程(8 313 m)，不用更換，帶病的主軸承一直工作至隧道貫通。

3 主軸承拆解

2014年1月在中天山隧道出口對主軸承進行拆解，具體情況如下：

1)主推滾道(大齒圈)。滾道圓周基本對稱的位置出現2處長約1 m的剝蝕帶，其位置和形狀見圖3，最深的一處有9～10 mm，材料結構組織已經失效。

滾道上的軟帶清晰可見，軟帶上有密集的壓痕坑，軟帶兩側相對完好，見圖4。

2)主推滾道(后滾道)。后滾道表面沒有大面積的剝蝕，但在2排滾子結合處滾子碾壓后形成了一條明顯的印痕，印痕貫穿滾道全部周長，已發生嚴重的塑性變形，高度近0.5 mm，見圖5。

(a)

(b)

圖4 軟帶

圖5 主推后滾道

3)主推力滾珠。半數以上的滾珠有不同程度的掉塊現象，絕大多數是端頭掉塊，也有少量同時存在中間掉塊，見圖6。

圖6 滾珠掉塊

4)主推軸承保持架。保持架和滾子接觸的部分有非常大的磨損，但結構仍保持完整，見圖7。

圖7 主軸承保持架

根據以上拆解情況，此主軸承基本報廢。

4 原因分析

此主軸承在磨溝嶺隧道完成了4 653 m的掘進任務，使用過程中沒有發現主軸承方面的問題。工程結束后在洛陽軸承廠技術人員的協助下，在新鄉機械制造廠進行了全面拆檢，結果顯示軸承各部位沒有問題，由此可以排除主軸承質量缺陷。造成此次事件的原因有哪些？如何避免此類事件？

1)TBM組裝時潤滑系統管路連接錯誤。2008年1月18日發現主軸承內圈沒有出脂，經排查發現TBM組裝時分配閥處的油管接錯，于是按圖紙重新連接管路，雖經過幾次處理和調整內圈出脂情況，但一直沒有達到良好狀態，長期的出脂不充分造成密封的部分損壞。

TBM主軸承潤滑系統都設有潤滑油(脂)監控系統，但監控系統只能監控潤滑油的流量并不能監控各個潤滑部位的潤滑狀況，所以在主軸承組裝完成后刀盤組裝前應試運行主軸承，對主軸承各潤滑部位的出脂(油)狀況進行逐個檢查，確認所有潤滑點全部正常再安裝刀盤。

2)潤滑脂的質量問題。設備廠商推薦主軸承和K氏使用康達特牌原裝進口的高黏度鋰鈣EP2潤滑脂，項目上使用的是中外合資的高黏度鋰皂LL-EP680 EP2潤滑脂，使用過程中發現不同批次的脂針入度明顯不同，流動性不好，泵送困難，質量不穩定，特別是2007年10月29日生產的脂很硬泵送不了。2008年10月開始先后換用力能士、美孚和福克(國產)等品牌進行試驗，2008年12月起使用性能穩定、價格相對便宜和各項指標接近康達特脂的美孚牌鋰鈣EP2潤滑脂。

長期使用性能不穩定的潤滑脂可能是出脂不充分的重要因素之一，同樣會導致外部雜質進入主軸承內部污染齒輪油，影響齒輪油的理性指標，降低齒輪油的潤滑效果，可能對主軸承產生傷害。

3)齒輪油進水的問題。第一次發現大量石粉和水進入齒輪油是在2008年4月23日，一直到2008年7月12日換油才把問題找到并解決，時間長達80 d。最后發現原因是齒輪油箱的密封墊壞了，經常用水沖洗油箱時水和油箱上的粉塵進入了油箱內。水和粉塵的進入嚴重影響齒輪油的理性指標，對軸承造成傷害。

4)掘進施工期間軸承超載及潤滑不良。從掘進開始項目部就進行了全面系統的油水監測工作，主軸承油水監測的部分數據見表1，從油水監測的結果來看，主軸承在2008年3月3日后，機械雜質增長很快，特別是在2008年4月23日油的黏度急劇下降。第2次換油后用了35.9 h機械雜質達到0.03%。油的黏度偏低，其原因可能是系統冷卻效果不好或滑動表面由于荷載或速度過大而出現瞬間高溫超過油的極壓溫度所致[9]。掘進以來油箱溫度沒有異常，軸承速度因素也可以排除，所以超載是最大的可能。

表1 主軸承油水監測Table 1 Results of oil and water monitoring of main bearing

注：表中深色為換油時間。

項目部分別于2008年3月25日和5月4日提取了油樣進行光譜分析和鐵譜分析。光譜分析結果顯示：鐵、銅、金屬元素和硅、磷等非金屬元素的含量很高，遠遠超出控制范圍，除去脂中各元素的影響，密封的狀況還是比較差，出脂效果很不好。有砂粒進入了系統，主軸承的滾子、保持架和滾道磨損很嚴重。鐵譜分析結果顯示：2008年3月25日的油樣鐵譜分析中首次發現嚴重磨粒；油中各種磨粒量都很大(鐵譜稀釋比為100∶1)，特別是嚴重的疲勞層狀切屑、大量銅磨粒的出現，說明系統中有外來污染顆粒或是系統內的游離磨屑造成系統非正常磨損，油中有中量的鐵的紅色和黑色氧化物，說明系統中有水分和嚴重潤滑不良。系統中有球粒出現(球粒磨屑是軸承的疲勞裂紋中產生的)。

通過以上分析可以看到：從2008年3月25日起主軸承在超載及潤滑不良的雙重作用下出現嚴重的非正常磨損，主軸承的滾子、保持架和滾道磨損很嚴重。

TBM主軸承的承載力一般都很大，單純的掘進推力造成超載的可能性較小，但刀盤偏載、刀盤法蘭變形、主機振動和潤滑油理性指標下降等多種條件疊加時就有可能會造成軸承局部超載，掘進施工期間應根據巖石情況合理選擇掘進參數，加強油水監測工作，降低可能的風險。

5)刀盤裝配的問題。根據拆解結果，主推后滾道發生塑性變形，滾珠端頭掉塊以及主推滾道(大齒圈)的2條嚴重剝蝕帶等現象都說明主推軸承局部長期承受了巨大的超載負荷，這與油樣監測的結果相符。

后滾道全部周長上的塑性變形及滾道面相對完好說明后滾道與軸承箱裝配良好。而主推滾道(大齒圈)上的2條集中的嚴重剝蝕帶說明滾道的這2個位置存在局部受力的現象，造成這種現象的原因可能是刀盤法蘭與主軸承接觸面配合不好。在TBM試掘進期間檢查刀盤螺栓時發現有多根螺栓松動，并有1根螺栓折斷；2009年1月更換主軸承密封時又發現主軸承和刀盤的結合面之間有薄厚不一的泥餅，這些現象從另一方面證明配合不好的事實。

配合不好導致大齒圈滾道微量變形，來自刀盤的力由少部分滾珠承受，滾珠嚴重超載，造成滾珠和滾道損壞。基本對稱的2條嚴重的剝蝕帶說明配合不好可能與兩半塊刀盤對接不標準有關。配合不好的另一個因素是刀盤與主軸承之間的接觸面沒有清理干凈，存留有雜物。從此次現象上看前種因素的可能性較大。

TBM主軸承的滾道直徑大，與滾柱的配合精度高，這就要求TBM的裝配精度也很高，微小的誤差也可能會造成軸承局部嚴重超載。組裝前應對各配合面仔細清潔并詳細檢查和測量，特別是法蘭對接的刀盤，組對后必須對法蘭面的平面度進行測量再進行焊接加固。刀盤和主軸承裝配完成后應對刀盤的開挖輪廓線(徑向和軸向)、刀盤中心等參數進行測量，確認無誤后再向前步進。

6)沒有及時更換主軸承。主軸承是一個結構強大的精密部件，從故障產生到損壞失效都有一個較長的過程，發現故障后越早處理，主軸承的損壞程度就越小，造成的損失也越小。但受現實條件制約往往很難及時更換，等達到更換條件時軸承已損壞非常嚴重。此次沒有及時更換，分析起來有以下幾方面的原因：①在沒有完全查清原因的情況下，即使更換新軸承上去也有再次損壞的可能；②沒有貯備完好的主軸承，新購周期長，洞內更換也困難；③此軸承已使用了一個項目，能將此項目完成軸承的剩余壽命已不多；④根據維爾特專家的經驗，在采取前述措施下此軸承可以完成剩余工程，考慮到刀盤的情況，專家建議不予更換。

本次主軸承雖然完成了剩余工程，表面看節省了更換主軸承的時間，但此后8 km多的掘進中為了保證主軸承能完成剩余工程而采取的降低推力和掘進速度造成的工期延誤、加強潤滑造成的油料浪費和主軸承報廢的直接損失等代價同樣巨大。

7)O1油口的作用問題。由圖2可以看出，主軸承工作時O1腔內沒有潤滑，這樣會造成第2道密封和第3道密封的背部一直處于未潤滑狀態，對密封系統不利。特別是第2道密封，因F1腔內的脂有一定的壓力，加上密封自身的預緊力使第2道密封緊緊地貼在耐磨環上，磨損更快。2010年6月處理主軸承密封時發現外密封架磨損狀況見圖8，由圖中可以看出第2道密封處磨損最為嚴重，實際測量磨損深度達到5.5 mm。筆者查閱了同為維爾特公司生產的TB803E型和羅賓斯公司生產的TBM337型硬巖掘進機，都沒有采取這種設計，而用于軟巖的盾構則有采用類似設計的(O1口作為監測通道)，在硬巖掘進機中O1口是否需要充注潤滑劑值得探討。

圖8 密封架磨損

5 總結及體會

1)造成主軸承損壞的因素很多，需要從主軸承的生產、TBM相關部分的設計、TBM的組裝調試和使用維護等各個方面采取措施。

2)主軸承損壞有一個過程，早期的故障診斷非常重要，早發現早處理能使故障造成的損失降到最低。油水監測是早期診斷故障的有效手段，建立一套完善的監測制度是TBM主軸承正常運行的有力保證。

3)對于大型重點工程，提前備用主軸承是必要的，一旦發現主軸承出現故障并受到損傷可以立即更換，更換下來的主軸承還可能有修復的價值，主軸承帶病工作時間越長，造成的損失越大。

4)油品的質量和清潔度對主軸承的影響至關重要，盲目地為了項目成本而降低油品質量標準往往會得不償失。

5)TBM是一種針對性較強的專用設備，不同的廠商有各自不同的設計理念，它的適用性需要在具體的施工實踐中進行驗證和提高。

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[2]賈峰.TBM主軸承密封系統洞內修復[J].隧道建設,2013,33(3)：252-258.(JIA Feng.Repairing of seal system of main bearing of TBM in tunnel [J].Tunnel Construction,2013,33(3)：252-258.(in Chinese))

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揚州地下管網將設“透視眼”輕點鼠標即知

2014年10月18日舉行的全國城市基礎設施建設經驗交流會透露，我國計劃用3年左右時間，在全國36個大中城市全面啟動地下綜合管廊試點工程。對于有條件的老城區，可以結合市政路改造，把各種地下管線盡可能規劃布置在步行道或其他空間下。

目前，揚州5.09 km2的老城區地下管線信息系統已通過專家評審和驗收，未來揚州市地下管線普查將覆蓋310 km2的規劃區，統一建立地下管線信息系統，為建設地下綜合管廊系統打下基礎。

管線探測工作完成，老城區地下將有“透視眼”

揚州市計劃在2014年底基本完成地下管線外業探測工作，同時完善地下管線信息系統，2015年3月前完成系統建設并投入試運行，2015年6月組織專家對普查成果和信息系統進行綜合驗收。

為滿足揚州市規劃、建設和地下管線安全運行的需要，必須準確掌握城市地下管線現狀。為此，揚州市決定用2年時間開展地下管線普查，運用先進的地下管線探測設備和技術，查清各類地下管線的分布及埋設情況，形成完整準確的城市地下管網資料，建立準確、完善的地下管線數據庫。

項目2015年8月啟動后，即展開了試驗區地下管線探測工作。目前，這一區域的地下管線信息系統已通過評審和驗收，這意味著老城區地下將有一雙“透視眼”。

水電氣納入同一數據庫，地下管線信息將各部門共享

城市管線包括自來水管、污水管、電力照明、燃氣、通訊和數字電視等種類，作用重要，但錯綜復雜，尤其是地下管線，因其具有系統性、隱蔽性等特點，往往成為城市管理的一大難題。城市地下管線問題頻出，隨之而來的馬路開挖給居民生活帶來極大不便，甚至造成安全隱患。

通過普查探測，將查明測區范圍內的現有供水、供電、燃氣等地下管線工程及其他隱蔽管線及城市道路上敷設的各種管線及附屬設施，查明管線的平面位置、埋深、走向、性質、規格、材質、建設年代和權屬單位等，并繪制地下管線圖，編制管線成果表，建立地下管線信息數據庫。將自來水管、污水管、電力照明、燃氣、通訊、數字電視甚至信號燈等各種地下管網納入同一個數據庫，可實現不同部門間的信息共享，并通過管理軟件等科技手段實現對地下管網的監控。

首個地下信息系統投用，點下鼠標，管道走向一目了然

揚州市首個地下管網地理信息系統在揚州市化工園區投用。通過這一系統，只要輕點鼠標，轄區地面、地下管網系統一目了然。工作人員打開某條道路的系統，地下管網立即以立體形式呈現在屏幕上，管道的走向、埋深和管徑大小等數據無所不知，管道通過不同顏色加以區別。一旦發生意外情況，便可通過系統查詢到應該關閉哪里的管道閥門。

除了上述功能，在發生意外時，系統還能夠正確定位報警人的位置，查詢事發定位基礎信息和視頻資料，并可通過呼叫中心系統和無線通信系統，實現及時、有效的調度措施。

(摘自 隧道網 http://www.stec.net/sites/suidao/ConPg.aspx?InfId=d2f79fca-0cd2-4f7e-83a2-3fbb46b6f1db&CtgId=142f6ac5-a07a-44b6-8d17-42710c37e548 2014-10-21)

AnalysisonCausesforDamagesofMainBearingofTB880ETBM

ZHANG Hongyao

(Tunneling-dedicatedEquipmentCenter,ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

Damage often occurs to the main bearings of TBMs during tunnel construction,which often results in serious consequences.Instead of the quality of the main bearing itself,personal factors are always the main factors for the damage of the main bearings.In the paper,the malfunction of the main bearing of TB880E TBM used in the construction of Zhongtianshan tunnel on the second railway line from Turpan to Korla in south Xinjiang,China are presented,the countermeasures for the malfunctions and the application of the main bearing state monitoring technology are provided,the causes for and the consequences of the malfunctions of the main bearing are analyzed in terms of assembly,commissioning,operation,maintenance,repairing and malfunction treatment,and suggestions are made on the assembly,commissioning,operation and maintenance of the main bearing,so as to minimize the main bearing damage incidents.

TB880E Tunnel Boring Machine (TBM); main bearing; lubrication; oil and water monitoring; overload; assembly; lubrication quality

2014-07-01;

2014-08-13

張紅耀(1965—)，男，河南洛寧人，1989年畢業于石家莊鐵道學院，工程機械專業，本科，高級工程師，現從事設備管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.11.013

U 455.3+1

A

1672-741X(2014)11-1092-06