大直徑泥水盾構(gòu)機主驅(qū)動環(huán)件再制造案例分析

馬龍飛

（中鐵隧道局集團有限公司設(shè)備分公司，廣州 511458）

0 引言

伴隨著我國地下空間開發(fā)利用步伐的不斷加快，盾構(gòu)施工作為隧道、地鐵、城市管線、越江和跨海等基礎(chǔ)建設(shè)的一種主要方法，在城市地下空間開發(fā)利用中得到了廣泛應(yīng)用。近年來全國各主要城市軌道交通建設(shè)全面鋪開，隨著軌道交通事業(yè)的發(fā)展，除中鐵、中鐵建外，中交、中水電等大型央企以及部分地方施工單位也相繼加入了城市軌道交通的建設(shè)中。由于施工單位較多，目前國內(nèi)?6 m級盾構(gòu)機保有量趨于飽和。隨著城際鐵路、穿江越海工程的不斷增多，國內(nèi)盾構(gòu)機需求且呈現(xiàn)大直徑、高水壓、長距離掘進趨勢，相應(yīng)的?10 m級以上大直徑盾構(gòu)機的使用也隨之增多。由于國內(nèi)自主建造盾構(gòu)機的時間較短、大直徑盾構(gòu)機的設(shè)計、制造經(jīng)驗相對薄弱，目前各施工單位保有的大直徑盾構(gòu)機多以NFM（法馬通）、Herrenknecht（海瑞克）、Robbins（羅賓斯）等國外品牌為主。而主驅(qū)動作為大直徑盾構(gòu)機的核心系統(tǒng)，其拆檢、維修多委托原生產(chǎn)廠家進行，修復(fù)周期長、價格貴，本文通過?11.97 m的NFM泥水盾構(gòu)機主驅(qū)動的拆解、再制造研究，為施工單位自行修復(fù)大直徑盾構(gòu)機主驅(qū)動系統(tǒng)提供了一種更加經(jīng)濟、高效的解決方案以及參考標準。

1 盾構(gòu)機使用概況

該NFM泥水平衡盾構(gòu)機于2007年出廠，開挖直徑11.97 m，用于北京鐵路地下直徑線工程某標段，隧道主要穿越的地層為：圓礫、卵石土層，向西卵石粒徑逐漸加大。設(shè)備于2008年8月始發(fā)掘進，累計掘進距離為5 162 m，于2013年7月全線貫通。貫通后設(shè)備存放了四年有余，因?qū)⑼度胫琳憬晨绾Ｋ淼理椖窟M行施工，需對設(shè)備整機進行再制造。

2 盾構(gòu)機主驅(qū)動結(jié)構(gòu)介紹

主驅(qū)動是盾構(gòu)機的核心部件[1]，具有價值高、技術(shù)復(fù)雜及地址適應(yīng)性要求高等特點[2]，其運轉(zhuǎn)的好壞、使用壽命長短、可靠性等直接影響到整個盾構(gòu)機的運行及施工安全；因地下施工條件限制，在使用過程中主驅(qū)動故障具有不可拆解、不可修復(fù)的特性，故其可靠性顯得尤為重要[3]。

2.1 主驅(qū)動結(jié)構(gòu)

NFM泥水盾構(gòu)機主驅(qū)動結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，零部件共約370余種，其主要結(jié)構(gòu)部件如圖1所示。主驅(qū)動的主要功能為：電機提供動力，由減速機降速，通過保險軸及輸出齒輪傳遞扭矩至主軸承，再由主軸承帶動刀盤轉(zhuǎn)動。因泥水盾構(gòu)機施工條件及驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計等原因，主驅(qū)動系統(tǒng)的油脂環(huán)、外殼體、密封跑道環(huán)等環(huán)件極易磨損，在進行大修或再制造時均需要進行更換。

圖1 主驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 主要環(huán)件功能介紹

（1）驅(qū)動殼體。主要作用為保護主驅(qū)動內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使內(nèi)部主軸承等部件與外部結(jié)構(gòu)及環(huán)境隔離，并起到一定的密封作用。

（2）外密封迷宮環(huán)。作為潤滑油脂以及密封油脂的通道載體，且頂部鋸齒狀結(jié)構(gòu)與刀盤法蘭配合形成迷宮密封結(jié)構(gòu)，通過油脂外溢阻止渣土進入內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

（3）外密封壓環(huán)。對主驅(qū)動外密封及隔環(huán)起到固定及定位作用。

（4）外密封跑道。與外密封配合形成密封結(jié)構(gòu)，并通過油脂的注入防止外部渣土進入主軸承結(jié)構(gòu)[4]。

（5）內(nèi)密封跑道。與內(nèi)密封配合形成密封結(jié)構(gòu)，并通過油脂的注入防止外部渣土進入齒輪箱。

3 環(huán)件磨損情況說明

3.1 驅(qū)動殼體

主驅(qū)動大殼體前端面由于與泥水倉存在接觸，長期使用造成其存在一定程度不規(guī)則磨損，如圖2所示。如果磨損程度繼續(xù)加大，會使大直徑顆粒進入外密封迷宮環(huán)處，造成迷宮環(huán)的磨損加劇，影響主驅(qū)動整體密封性能。

圖2 驅(qū)動殼體磨損位置示意圖

3.2 外密封迷宮環(huán)

當(dāng)密封油脂注入不足或驅(qū)動殼體異常磨損時，部分渣土進入迷宮環(huán)與刀盤法蘭所形成的迷宮結(jié)構(gòu)，且刀盤法蘭與迷宮環(huán)存在相對運動（迷宮環(huán)固定，刀盤法蘭轉(zhuǎn)動），故密封環(huán)在使用過程中會存在較大的磨損。與圖紙設(shè)計尺寸比對，該環(huán)件端面凸臺磨損量已達15 mm（原始狀態(tài)高25 mm，目前狀態(tài)高度約為10 mm），前端面注脂孔也由于磨損導(dǎo)致孔口局部變形嚴重，如圖3所示。

圖3 驅(qū)動殼體磨損位置示意圖

3.3 外密封壓環(huán)

外密封壓環(huán)的磨損原理與迷宮環(huán)類似，掘進時部分渣土進入迷宮結(jié)構(gòu)內(nèi)部且深入至壓環(huán)處，且刀盤法蘭與壓環(huán)存在相對運動。經(jīng)檢測主軸承外密封壓環(huán)磨損及銹蝕嚴重，外徑已嚴重失圓，已無法判斷其原始狀態(tài)，對比實際狀態(tài)與圖紙可見，該外密封壓環(huán)厚度已磨損近一半（原始設(shè)計尺寸厚度為53 mm），且內(nèi)徑臺階及沉孔已幾乎磨平，如圖4所示。

圖4 外密封壓環(huán)磨損位置示意圖

3.4 外密封跑道

為了避免外部雜物進入主驅(qū)動內(nèi)部結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)機普遍采用唇形密封與密封跑道相配合的結(jié)構(gòu)[5]；唇形密封與跑道環(huán)形成過盈配合，使用過程中密封跑道與刀盤一同轉(zhuǎn)動，密封會在跑道接觸面形成磨痕。如圖5和表1所示。盾構(gòu)機進行維修或再制造時，需對劃槽深度進行檢測、修復(fù)，或整體更換密封跑道。

圖5 外密封跑道磨損位置示意圖

表1 外密封跑道磨損測量數(shù)據(jù)

3.5 內(nèi)密封跑道

內(nèi)密封跑道工作原理與內(nèi)密封跑道工作原理相同：為了避免外部雜物進入主驅(qū)動內(nèi)部結(jié)構(gòu)，唇形密封與跑道環(huán)行程過盈配合，使用過程中密封會在跑道接觸面形成磨損槽。如圖6和表2所示。

圖6 外密封跑道磨損位置示意圖

表2 外密封跑道磨損測量數(shù)據(jù)

4 環(huán)件再制造

4.1 主驅(qū)動殼體

由圖7可以看出，主驅(qū)動殼體與刀盤法蘭的3個相對面的間距分別為30 mm、4 mm、6 mm，配合間隙相對較大。殼體環(huán)徑達到4 940 mm，焊接修復(fù)后采用機加工的成本較高，而磨損面為非工作面，精度要求對其使用沒有影響，故此次修復(fù)采用焊接、人工打磨修復(fù)的方式進行。因該3個面為非工作面且接觸土體，尺寸誤差可控制在±1.5 mm以內(nèi)，表面粗糙度不做要求，達到平滑無毛刺即可。焊接保持約1～2 mm的富余量，焊接過程中通過不間斷的測量保證焊接尺寸。焊接完成后通過人工打磨恢復(fù)尺寸，打磨過程中同樣通過不間斷的尺寸測量控制外形尺寸即可。

圖7 主驅(qū)動殼體與刀盤法蘭間隙

4.2 外密封迷宮環(huán)

因外密封迷宮環(huán)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，加工難度相對較大（外密封油道環(huán)環(huán)體內(nèi)部孔道分布較多），新制周期長，成本較高，考慮到該外密封迷宮環(huán)前端面與刀盤法蘭面之間為運動副，并形成一定間隙的HBW油脂迷宮環(huán)腔，對尺寸精度要求較高，故采用“氬弧焊堆焊-修磨”工藝進行外密封油道環(huán)前端面磨損進行補焊、再機加工恢復(fù)原有尺寸的方案。堆焊中最常碰到的問題是焊接開裂，使用電加熱方法可以有效避免因快速冷卻產(chǎn)生的冷裂紋；一般堆焊缺點是熱應(yīng)力集中，熱影響區(qū)大，使用氬弧焊堆焊工藝和電加熱方法可以有效避免堆焊產(chǎn)生的熱應(yīng)力問題。主要工藝流程如下：

（1）對外密封迷宮環(huán)磨損前端面進行清洗、除油、去污、除銹，做到表面無油污、殘渣、雜質(zhì)，并露出金屬光澤；

（2）用焊炬對迷宮環(huán)前端面進行烘干；

（3）選用相同材質(zhì)的焊材，對外密封迷宮環(huán)前端面齒型結(jié)構(gòu)溝槽進行堆焊，焊層厚度一般為2～3 mm，較深的缺陷可堆焊多層，并預(yù)留加工余量；

（4）焊接完成后需要用電加熱片和溫控箱來進行保溫，保溫時間不低于4 h；

（5）堆焊修復(fù)完成后在機床上進行粗-精車，直至達到圖紙設(shè)計尺寸要求。

（6）修復(fù)部位著色探傷無裂紋，達到II類焊縫驗收標準。

4.3 外密封壓環(huán)

考慮到其磨損量及變形量過大，且本身結(jié)構(gòu)較為簡單易，機加工量小成本低，故不再建議對其進行修復(fù)，而是進行新制。

4.4 外密封跑道

外密封跑道雖結(jié)構(gòu)較為簡單，但因其材質(zhì)、加工及熱處理工藝的要求較高，故其新制成本高。本次修復(fù)采用目前較為成熟的“氬弧焊堆焊-修磨”工藝進行修復(fù)[6]。主要工藝流程如下：

（1）清除疲勞層，直至疲勞層全部被打掉；

（2）使用電加熱片和溫控箱進行加溫處理，溫度控制在160～250 ℃；

（3）選用42CrMo+107Cr定制焊材，用氬弧焊進行堆焊；

（4）采用加熱及外部敲擊的方式消除應(yīng)力；

（5）焊接完成后用電加熱片和溫控箱來進行保溫，保溫時間不低于8 h；

（6）對堆焊修復(fù)部位進行粗磨；

（7）粗磨后著色探傷，無氣孔無裂紋后進行半精磨；

（8）半精磨后使用研磨方式進行精磨；

（9）修復(fù)面要光滑平整，無砂眼，無啃邊，無虛焊，無凸凹感，與原密封跑道外徑誤差不大于0.1 mm；

（10）修復(fù)部位著色探傷無裂紋、表面硬度檢測為HRC50～55。

4.5 外密封跑道

因內(nèi)密封跑道僅第一道磨痕較深，其他4道磨痕較為輕微，建議僅對內(nèi)密封跑道的第一道磨損帶采用“氬弧焊堆焊-修磨”工藝進行修復(fù)，工藝流程同上，其余4道僅采取輕微打磨除銹措施即可。

5 再制造后狀態(tài)

該主驅(qū)動各環(huán)件經(jīng)再制造后各項技術(shù)指標均有了大幅度的提升，達到了預(yù)期目標。目前主驅(qū)動結(jié)構(gòu)已在工廠順利組裝，并完成了長時間的空載調(diào)試及運轉(zhuǎn)。通過油液檢測[7]、在線監(jiān)測系統(tǒng)[8]對震動和噪音等的檢測，以及主驅(qū)動電機電流、扭矩，EP2、HBW油脂注入壓力等參數(shù)的分析，認為該主驅(qū)動各環(huán)檢修復(fù)后性能可靠，完全滿足使用要求。

6 結(jié)束語

在目前國家大力倡導(dǎo)建設(shè)節(jié)約型、環(huán)境友好型社會和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的主旋律下，開展盾構(gòu)機及其部件再制造是盾構(gòu)機產(chǎn)業(yè)綠色化轉(zhuǎn)型升級的必然選擇；其中主驅(qū)動作為盾構(gòu)機核心系統(tǒng)，一般在出現(xiàn)故障或盾構(gòu)機達到使用年限后便報廢處理，造成較大的資源浪費。目前盾構(gòu)機各系統(tǒng)再制造暫無相關(guān)標準可循，本文通過大直徑泥水盾構(gòu)機主驅(qū)動環(huán)件再制造的案例分析，給出了一種具備可操作性的大直徑盾構(gòu)機主驅(qū)動易損環(huán)件的修復(fù)方案，通過該方案的實施，可以有效地提高盾構(gòu)機主驅(qū)動的使用壽面，降低設(shè)備使用成本，縮短采購、制造周期。