盾構機安全軸斷軸故障分析及應對措施

孫源鑫++邱林++齊鵬

摘 要：盾構機安全軸是連接主驅動減速機和大齒圈的關鍵部件，在大扭矩工況條件下可以起到保護減速機和大齒圈的作用。在沈陽地鐵10號線某項目盾構機頻繁出現了安全軸斷軸故障，經過分析減速機連接主驅動結構件的螺栓緊固情況等因素，總結出在掘進期間維修保養和操作脫困的成功經驗。

關鍵詞：安全軸；螺栓預緊力；維修保養；脫困

引言

沈陽地鐵十號線某項目盾構機刀盤主驅動安全軸出現四次斷軸故障，每次故障均對戴納米克進口減速機造成不同程度的損壞，共更換三臺減速機。對于正在掘進施工的盾構機，維修主驅動減速機和更換安全軸極其困難，很難保證減速機裝配精度，增加了機械故障發生的概率[1]。因此，在掘進期間從維修保養和操作脫困等方面采取積極有效的措施，可大大減少安全軸斷軸故障發生的頻率。

1 安全軸故障概況

1.1 安全軸斷軸時的扭矩

按照盾構機設計要求，主驅動額定扭矩為5500kN·m，最大脫困扭矩為6840kN·m。根據盾構機操作系統保存的數據顯示，發生斷軸時盾構機刀盤扭矩均未超過理論設計的額定扭矩和最大脫困扭矩。

1.2 安全軸未起到安全保護作用

通過4次故障的損壞情況來看，安全軸都不是正常的損壞，斷開的部位要么靠近減速機一側，給減速機端部造成損壞或減速機斷軸，要么靠近主軸承一側，小齒輪和軸承有不同程度損壞。

2 影響安全軸斷軸的主要因素

從刀盤工作扭矩的數據看，沒有超過設計額定范圍，那么就應該考慮其他因素的影響。從減速機與主驅動處的連接狀況，在多次出現安全軸斷軸事故后，盾構機施工現場連接減速器和刀盤的雙頭螺柱在掘進中出現松脫的問題。通過雙頭螺柱模擬件擰緊實驗和減速機振動測試等手段，來觀察減速機和主驅動的連接狀況。

2.1 雙頭螺柱模擬件擰緊實驗

在實驗過程中使用與實際結構一致的模擬件作為被連接件，被連接件包含5層用來模擬多級減速器結構。實驗將2根雙頭螺柱分別反復擰緊3次，每次扭矩從200Nm遞增到880Nm，記錄扭矩對應的預緊力大小。

通過實驗數據發現，預緊力沒有達到額定預緊力并且離散性較大，初步分析接合面表面粗糙度、形位公差、潤滑條件、內外螺紋配合、擰緊次數、擰緊速度等因素容易影響螺栓的預緊力。因此，預緊力不足就直接導致減速機與主驅動的連接不緊，安全軸容易受到切向載荷影響[2]。

2.2 減速機振動測試

實驗人員使用三向加速度傳感器測試減速機-電機總成在掘進過程中的振動情況。加速度的測試位置分別為電機外殼、一級減速器外殼、刀盤背面。掘進參數如下：總推力18000kN、刀盤扭矩3800kNm、刀盤轉速1.5rpm、掘進速度40mm/min。

通過觀察不同位置的三向加速度信號，電機的三個方向加速度基本一致，變化范圍為2g到-2g之間。一級減速器三方向加速度有了較為明顯的差異，x方向（切向）加速度變化范圍為1g到2g之間，z方向（切向）加速度變化范圍為-0.5g到-1.5g之間。刀盤三方向加速度區別較大，x方向（切向）加速度變化范圍為1g到2g之間，y方向（切向）加速度變化范圍為0.5g到1g之間。

從電機到刀盤，軸向振動和切向振動幅度逐漸減小，但減速機附近的切向振動始終較大，使螺柱接合面產生滑移從而導致松脫。

測試結果表明：掘進時電機是減速機振動的重要來源，其切向振動是導致松脫的主要原因[3]。

3 施工現場應對措施

3.1 掘進施工的參數優化

由于沈陽地層主要為中粗砂、圓礫及粉質粘土，在長時間停機時為防止地面沉降需用渣土來保持土倉壓力，而再次掘進時由于土倉壓力較高，導致刀盤扭矩過大。而盾構機操作手不能有效的控制土倉壓力或對渣土不能有效的改良導致扭矩過大而多次旋轉刀盤，這樣會對安全軸造成損害。

針對大扭矩的影響，首先解決好盾構正常掘進的參數問題，從操作控制和渣土管理方面治理大扭矩問題。其次，通過系統程序修改，限制已使用的盾構機的最大刀盤工作扭矩，下調至4300kN·m，同時禁止盾構機使用脫困模式。

3.2 現場應急維修

安全軸出現故障后，首先通過電機電流數據，確定哪一個電機沒有扭矩輸出，安全軸是否斷開，避免出現故障后繼續掘的進情況。

在組織搶修過程中，要嚴格按裝配要求進行維修，關鍵步驟有：放出主驅動680齒輪油、拆解電機、拆解減速機、取出斷在里面的安全軸、安裝新的安全軸、裝配減速機、裝配電機、螺栓擰緊、扭矩測試、重新注油。

3.3 日常維修保養方面的預防措施

經過分析相鄰兩次故障的間隔時間，發現在最短間隔時間不超過100環，因此根據設備狀態和生產需要，在日常維修保養工作中建立螺栓擰緊檢查計劃。要求以30環為時間節點，對減速機雙頭螺柱用扭矩扳手（900kNm）進行復緊，并將結果記錄在工作檔案中。

4 脫困過程中注意事項

在施工過程中，由于停機時間較長，而且停機過程中土倉內壓力普遍較高，再次掘進時，刀盤無法啟動，這時可采取如下辦法使刀盤脫困[4]。

（1）由于土倉內壓力較高，所以需要先進行排土，將土倉內壓力降低。（2）啟動刀盤，將刀盤轉數調到正轉0.1r/min，如果扭矩漲到額定扭矩的

60%（約4000kNm），刀盤仍無法啟動，這時應停止啟動，等待扭矩降為0。再將刀盤轉數調到反轉0.1r/min，如果扭矩漲到額定扭矩的60%（4000kNm），刀盤仍無法啟動，則停止啟動。根據實際推進的扭矩及沈陽地層（中粗砂，粉質粘土）情況，4000kNm扭矩就足以驅動刀盤，如果無法啟動，也不要在嘗試更高的扭矩，意義不大。（3）將推進油缸收回，收回根數根據實際情況確定（間隔式回收），目的是減小刀盤掌子面推力。再按上述啟動刀盤過程進行嘗試。（4）可通過泡沫噴射口，向刀盤前注入空氣，減小刀盤掌子面推力，配合回收推進油缸。（5）刀盤長時間停機，再次啟動時。切忌刀盤向同一方向連續多次大扭矩啟動。（6）刀盤脫困有轉數后，扭矩仍會較大，這時需要刀盤在旋轉2-3分鐘并向刀盤前及土倉內注入膨潤土對降低刀盤扭矩有顯著效果。

5 結論

通過現場對減速機雙頭螺柱的維護和合理的操作控制，可以有效地解決主驅動系統存在的問題，為采用類似設計形式的盾構機提供了經驗參考，但是為了徹底解決此類故障帶來的影響，建議從主驅動設計結構上做出調整，例如縮短減速機與主驅動的連接長度，將法蘭環焊接在主驅動上，并在法蘭環上加工螺紋孔用來把合減速機，也可以采用過載保護限制器的設計形式。

參考文獻

[1]寇曉林.泥水盾構隧保險軸斷裂原因淺析[J].盾構工程，2009（4）：58-60.

[2]王啟義.中國機械設計大典[M].南昌：江西科學技術出版社，2002.

[3]熊晨君，蔡駿.盾構機主減速箱損壞原因分析及預防措施[J].機械工程師，2013（3）：132-134.

[4]李輝，劉銀濤.土壓平衡盾構脫困技術及經驗教訓[J].隧道建設，2012，32（2）：239-244.