TBM主軸承密封滑道設計及安裝工藝

張　嘯，賀　飛，李普慶，趙振威

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州　450016)

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TBM主軸承密封滑道設計及安裝工藝

張嘯，賀飛，李普慶，趙振威

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州450016)

摘要：針對TBM主軸承密封滑道加工工藝復雜及滑道易磨損致使主軸承非正常失效的問題，提出利用熱裝司太立(Stellite)耐磨薄板代替碳鋼淬火設計密封滑道的方法，并依據司太立耐磨薄板的特點，提出合理的焊接、安裝工藝，成功地將密封滑道安裝在支撐環件上。在制造過程中，熱裝耐磨密封滑道工藝簡單，節省了密封滑道熱處理所需的費用及時間。在工程應用中，耐磨滑道表面始終沒有出現裂紋，且磨損量小，提高了密封滑道的耐磨性及TBM主軸承密封系統的可靠性。

關鍵詞：TBM；主軸承；密封滑道；司太立耐磨薄板

0引言

TBM施工工法在我國廣泛地應用于城市地鐵、山嶺隧道及引水隧道工程中。通常情況下，由于TBM施工距離長，隧道埋深大，故主軸承密封系統一旦出現故障，洞內維修困難，所以要求主軸承密封系統要有很高的可靠性。主軸承密封作為TBM的關鍵部件，正常使用時，通過注入油脂對密封進行潤滑，但即便這樣仍會在滑道上磨出凹槽。當滑道被磨損到一定程度時，水及渣土進入主軸承，導致主軸承加速磨損而提前失效。

目前，國內對于主軸承密封系統的研究較多。如文獻[1]分析了TBM密封系統失效的原因；文獻[2-5]提出了軸承密封損壞后的維修方法；文獻[6]和文獻[7]從裝配、狀態監測、操作維護等方面提出了提高密封系統可靠性的措施。

本文從提高密封滑道耐磨性入手，通過對不同材料屬性的對比分析，選擇一種耐磨性能更優的材料代替傳統耐磨滑道。根據材料特性，對驅動密封滑道進行新設計，并提出新工藝，進而提高密封滑道的耐磨性及可靠性。通過實際工程案例，驗證設計方法的可行性。

1司太立(Stellite)合金

TBM驅動密封系統常選用唇形密封。為增加密封滑道的耐磨性，常使用淬火碳鋼作為耐磨滑道，要求淬火碳鋼表面硬度為55～60 HRC，且硬度均勻。司太立耐磨滑道安裝見圖1。TBM密封滑道直徑較大，一般的淬火工藝很難達到要求。

司太立合金是以鈷、鉻、鎢為主要元素的銀白色合金，該合金具有良好的耐滑動磨損性及抗咬合性[8]，摩擦系數較低[9]。司太立鈷基合金與調質后的SAE1090(相當于85彈簧鋼)耐磨性對比見表1[10]。

司太立合金具有良好的耐磨性，已廣泛地應用于工業領域，但是該材料較普通碳鋼價格高，一般只作為表面硬化、耐磨材料。大型零件使用司太立合金提高耐磨性，都是通過在工作表面進行堆焊。目前，表面堆焊技術較成熟，但需要專門的焊接設備和具備相應經驗的專業焊接技術人員操作，且焊接工藝復雜[11-12]。TBM密封滑道結構為簡單圓環狀，滑道受力小，使用過程中只需要表面1～2 mm具有耐磨性，其余部分只起支撐作用。因此，在設計TBM主軸承密封系統時，可將司太立薄板焊成圓環，過盈配合裝配到支撐圓環上(見圖1)，這樣既可以保證滑道表面的耐磨性，又可以節省專業設備、人員及加工費用。

圖1　司太立耐磨滑道安裝

Table 1Comparison between Stellite alloy and SAE1090 in terms of wear resistance

材料名稱材料狀態屈服強度/MPa材料硬度/HRC磨粒磨損系數粘合磨損系數司太立合金軋制正火632380.471×10-33.7×10-5SAE1090調質930558×10-36×10-5

注：材料的耐磨性用磨損系數來衡量，磨損系數為材料在單位負荷作用下滑動單位距離所引起的體積磨損，磨損系數測量見文獻[10]。

2耐磨滑道設計計算

2.1耐磨滑道內徑計算

耐磨滑道與密封支撐環間需要有一定的過盈量，該過盈量不僅可以使滑道緊貼在支撐環上，防止滑道移動，還可以避免滑道表面凸起及凹坑，使密封與滑道能均勻接觸。如果過盈量選擇偏小，使用過程中，由于溫度升高、振動等原因會導致耐磨滑道脫落；而過盈量選擇過大，會導致耐磨滑道安裝困難，或安裝后耐磨滑道受張力過大而斷裂。因此，需要對耐磨滑道的內徑進行精確計算。

設耐磨滑道支撐環外徑為D，耐磨滑道內徑為d，則滑道熱裝到支撐環后的伸長量

Δl=π(D-d)。

(1)

此時，司太立耐磨滑道所受的應力

σ=E·Δl/π·d=E·(D-d)/d。

(2)

此應力σ應小于司太立材料的屈服強度σs。為了防止安裝后耐磨滑道因張力過大而斷裂，取安全系數s，計算得到耐磨滑道的內徑為

d=E·D·s/(s·E+σs)。

(3)

所以，滑道支撐環與耐磨滑道間的過盈量

Gain（生源地）＝I（S1，S2，S3，S4）-E（生源地）＝1·972048-1·85877＝0·113278

ΔD=σs·D/(s·E+σs)。

(4)

2.2耐磨滑道熱裝溫度計算

耐磨滑道熱裝時，若加熱溫度過低，則熱膨脹量不夠，無法安裝；若加熱溫度過高，會使合金材料內部組織結構發生變化，從而影響耐磨性能。耐磨滑道熱裝溫度計算公式為

T=(ΔD+δ)/(α×d)+T0。

(5)

式中:α為司太立材料線膨脹系數；δ為熱裝時的間隙，一般取直徑D的0.9‰～1.4‰[13]；T0為環境溫度。

3耐磨滑道加工及安裝工藝

3.1司太立耐磨滑道拼接主要工藝

根據上述計算，將合金材料焊接成圓環，薄板在焊接試驗過程中，通常會出現焊縫縮根、焊縫錯臺、焊縫彎曲與焊縫扭曲等缺陷[14-15]，見圖2。唇形密封要求滑道表面具有較高的圓度及光潔度，合金材料自身表面粗糙度可以滿足要求，但滑道焊縫處需要打磨及拋光。另外，由于驅動密封系統的重要性，因此，每條焊縫必須經過嚴格探傷。

(a) 彎曲變形

(b) 焊縫錯臺

通過不斷地改進焊接試驗，總結出以下焊接方法，實現對焊縫質量的控制。

1)設計工裝，用于壓緊薄板，防止焊接過程中發生變形；

2)焊接前將壓緊工裝及耐磨薄板一同預熱至40～60 ℃，防止焊接后溫度降低過快；

3)焊材使用耐磨性與韌性較好的司太立鈷基6號焊絲；

4)采用單面焊接雙面成型的焊接工藝；

5)在正式焊接前，先在薄板兩端及中間多處點焊，整個焊接過程采用氬弧焊接；

6)焊接過程中注意控制焊接電流，電流太大容易造成大的焊接變形，電流太小容易焊不透，根據實際焊接效果，控制焊接電流在50 A左右；

7)整個工裝及焊縫需石棉保溫冷卻后，再拆卸工裝；

8)檢查焊接成形質量，要求薄板無錯臺及彎曲變形；

9)焊縫打磨后測量硬度，要求焊縫處硬度不低于40 HRC；

10)對打磨后的焊縫進行RT探傷，要求焊縫處無氣孔、焊渣、縮孔等缺陷，之后對焊縫進行拋光。

3.2司太立耐磨滑道熱裝主要工藝

耐磨滑道熱裝過程中，要注意環件厚度小、溫度降低速度快的特點，安裝過程要求一次性快速完成。主要工藝如下：

1)熱裝場地選擇在空氣流動相對較小的區域；

2)根據外界環境溫度，可將支撐環適當預熱至20～30 ℃；

3)由4—6人使用加熱槍多點均勻加熱薄環件，加熱溫度為150～300 ℃；

4)耐磨滑道加熱到要求溫度后，由4—6人使用鉗子將耐磨滑道抬至支撐環上方10 cm處，停止加熱后，立即同時將滑道放置到位，要求動作快而準確；

5)檢查耐磨環是否安裝到位，檢查耐磨環與支撐環間是否存在間隙，要求耐磨環與支撐環緊密貼合，不得有縫隙。

4工程實例

以重慶地鐵φ6 390 mm敞開式TBM為例，該TBM最大推力17 888 kN，額定扭矩4 054 kN·m，刀盤最高轉速10.3 r/min。外密封滑道支撐環直徑D=5 400 mm。司太立密封滑道薄板厚度為2 mm，彈性模量E=219 GPa，線膨脹系數α=14.1×10-6m/m℃，屈服極限σs=632 MPa，設環境溫度為20 ℃，取熱裝間隙δ=1.4‰D，安全系數s=2.8。根據式(4)，計算得到拼圓環后密封滑道內徑d=5 394.44 mm。根據式(5)，計算得到滑道熱裝前，需要的最終加熱溫度T=192 ℃，實際操作時，加熱溫度在200～250 ℃。

按照以上計算結果及工藝進行焊接及熱裝，并對焊縫進行RT探傷，圖3顯示焊縫無焊接缺陷，滿足要求。密封滑道熱裝后,整個密封滑道與支撐環緊密貼合，安裝效果良好，見圖4。

圖3　耐磨滑道焊縫探傷

圖4　密封耐磨滑道熱裝效果

安裝有司太立耐磨密封滑道的TBM在地鐵工程中掘進，該設備主要穿越了砂巖及砂質泥巖地層，巖石中等風化，圍巖單軸抗壓強度40～82 MPa。掘進3.7 km出洞后，拆機檢查主軸承密封滑道，耐磨滑道使用效果見圖5。滑道最大磨損深度不超過0.05 mm，幾乎無磨痕，大大提高了密封系統的可靠性及滑道的耐磨性。

圖5　密封耐磨滑道使用效果

5結論與討論

由于計算合理、工藝措施得當，成功地將耐磨滑道安裝到支撐環上，降低了大直徑TBM密封滑道制造成本及難度。實際工程掘進使用效果驗證了該主軸承密封滑道具有良好的耐磨性。利用司太立耐磨薄板制作耐磨滑道，可提高主軸承密封系統的可靠性與壽命。

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Design and Installation Technology of TBM Main Bearing Sealing Slide

ZHANG Xiao,HE Fei,LI Puqing,ZHAO Zhenwei

(China Railway Engineering Equipment Group Co.,Ltd.,Zhengzhou 450016,Henan,China)

Abstract:The manufacturing technologies for TBM main bearing sealing slide are complex;and the main bearing failure will be induced by slide wear.The Stellite wear resistant sheet is used for sealing slide design;and the rational welding and installation technologies of the sheet are presented.The cost and time-needed are saved;the wear resistance of sealing slide is improved and the feasibility of sealing system of TBM main bearing is guaranteed.

Keywords:TBM;main bearing;sealing slide;Stellite wear resistant sheet

收稿日期：2015-05-29;修回日期:2016-03-21

基金項目：國家高技術研究發展計劃“863計劃”(2012AA041801)

第一作者簡介：張嘯(1987—)，男，山西大同人，2013年畢業于太原理工大學，機械設計專業，碩士，工程師，現從事TBM設計工作。E-mail:tbm007@126.com。

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.06.017

中圖分類號：U 455.3

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)06-0762-04