土壓平衡盾構機主驅動系統再制造重點分析

馬龍飛

（中鐵隧道局集團有限公司設備分公司，廣州 511458）

0 引言

目前國內保有的全斷面隧道掘進機（盾構機／TBM）已有1 000 余臺，隨著各種全斷面隧道掘進機使用年限的增加，由于各種系統零部件的老化以及產品的升級換代因素，部分全斷面隧道掘進機開始進入老齡化階段，面臨著棄之可惜，用之不便的狀況。近年來，李桐[1]、喬治[2]等研究了盾構機再制造工程及部分案例，闡述了盾構機再制造的行業形勢及主要內容，但未對主驅動等重要的單獨系統做深入分析。目前盾構機再制造行業仍處于初期階段，盾構機各系統再制造的重點及標準尚未量化。本文詳細總結了土壓平衡盾構機主驅動系統再制造的重點內容，為后續行業標準研究制定、各企業盾構機再制造策劃與實施提供參考。

1 土壓平衡盾構機

土壓平衡盾構機作為使用較為廣泛的全斷面隧道掘進機，是依據工程地質和水文地質條件進行“量體裁衣”的集光、電、液系統于一體的大型專用設備，因其安全性高、施工速度快、占地面積小等優點，在城市地鐵、隧道等建設中得到越來越廣泛的應用[3]。

土壓平衡盾構機的主要工作原理：在掘進過程中，隨著刀盤不斷切削巖土，在沿圓周布置的液壓千斤頂推力下，盾構機不斷向前推進。當盾構機向前推進一個管片的長度（沿洞軸向）時，便可以用管片拼裝機將若干管片依次拼裝成環，渣土經由有軌電瓶機車運至洞外。為了能夠更好地保證土壓力平衡，需要合理調控刀盤、螺旋機和掘進的速度，以便能夠更好地管控切削的土量和出土量，保持土壓內部壓力。

2 主驅動系統

土壓平衡盾構機主驅動系統主要包括主軸承、主驅動環件、密封件、減速機、變頻電機等部件。主驅動是盾構機的核心部件，具有價值高、技術復雜及地址適應性要求高等特點[4]，其運轉的好壞、使用壽命長短、可靠性等直接影響到整個盾構機的運行及施工安全。因地下施工條件限制，在使用過程中，主驅動故障具有不可拆解、不可修復的特性，故其可靠性顯得更加重要[5]。

3 主驅動系統再制造重點內容

3.1 主軸承

主軸承是盾構機核心部件及盾構機再制造中的一個重點。主軸承主要依靠盾構機主驅動密封及密封跑道的配合與外界隔離，在長期使用中伴隨著唇形密封、密封跑道的老化、磨損，軸承內部不可避免地進入少量雜質、水分，使滾道面及滾子形成壓坑及銹蝕缺陷，如果主軸承潤滑不足則會加劇以上缺陷；用于潤滑的齒輪油品質下降后未能及時更換，油液中包含的金屬顆粒、水分也會使軸承表面形成壓坑及銹蝕；在盾構機上不合理地使用電焊機等設備，會使電流通過主軸承，產生電蝕缺陷；在復雜地層中掘進時，主軸承長期經受較大的負載及沖擊力，會出現裂紋、壓痕的缺陷，甚至會出現齒面壓潰的現象。主軸承存在的主要問題如圖1所示。以上問題都必須在主軸承再制造過程中予以解決，才能保證再制造后主軸承的質量。

目前國內盾構機主軸承的再制造一般需委托專業廠家進行，拆解前對軸承各項尺寸、游隙、跳動等數據進行檢測記錄；之后將軸承拆解至最小單元，采用著色、熒光磁粉、超聲波無損探傷等檢測方法檢查主軸承滾道、滾子、保持架、大齒圈磨損及是否存在裂紋，并檢測滾道、滾子表面硬度等。對各缺陷修復后進行組裝，再次檢測游隙、跳動等數據與拆解前進行對比，并達到修復前預期數據范圍。

圖1 主軸承存在主要問題

3.2 主驅動環件

為了避免外部雜物進入主驅動內部結構，盾構機普遍采用唇形密封與密封跑道相配合的結構。內密封跑道與內唇形密封配合形成密封結構，并通過油脂注入防止外部渣土進入齒輪箱[6]；外密封跑道與外唇形密封配合形成密封結構，并通過油脂注入防止外部渣土進入主軸承結構。

再制造過程中，主驅動環件的問題主要集中在內、外密封跑道。唇形密封與跑道環形成過盈配合，使用過程中密封跑道或密封（不同品牌、型號盾構機設計不同）與刀盤一同轉動，密封會在跑道接觸面形成磨痕，如圖2所示。盾構機進行再制造時，需對劃槽深度及寬度進行檢測并修復，以保證密封與密封跑道之間的配合性能；密封跑道制作材質多選取42CrMo，其耐磨性能極佳，采用堆焊、機加工、熱處理[7]等工藝可對其進行磨損修復；為保證修復質量，對焊接工藝、材質選取、熱處理要求極高，修復成本較為昂貴；若磨損情況較為嚴重導致修復成本較高，則可考慮新制密封跑道進行整體更換。

圖2 密封跑道磨痕

3.3 密封件

主驅動密封件主要指內、外唇形密封，以及主驅動全部的O 型密封圈。唇形密封在使用中因與密封跑道存在過盈配合，且存在相對運動，必然存在磨損；盾構機在進行再制造時，使用時間或掘進里程較長，唇形密封磨損及老化程度較大，且密封本身不具備修復措施及潛能，必須更換新密封。O型密封圈全部使用在結構結合面處，因長期擠壓存在變形及老化情況，其自身價值較低，一般在主驅動拆解后均全部更換。

3.4 減速機

減速機作為盾構機主驅動系統的重要部件[8]，將電機的扭矩及轉速傳遞至刀盤，實現刀盤的轉動。在惡劣的地質條件下，減速機往往承受著極大的負載或者沖擊，隨著時間積累會慢慢產生各種問題；由于減速機的重要性，以及在盾構機中的安裝位置在掘進中難以拆解，故減速機再制造質量的可靠及穩定極為重要。在使用中，減速機常出現的故障有軸承磨損游隙超標，行星輪齒面裂紋或剝落，行星架銹蝕，行星輪銷軸松動，輸出齒輪裂紋或剝落，齒圈產生壓坑、磨損，保險軸產生裂紋等，極端情況下甚至會導致減速機齒圈、行星輪、行星架壓潰等。減速機存在的主要問題如圖3所示。

圖3 減速機存在主要問題

因減速機結構的復雜性及專業性，為充分保障減速機再制造后的整體性能滿足掘進要求，減速機的再制造多由專業廠家完成。盾構機減速機國產化尚未完成，國內盾構機主驅動減速機全部使用進口品牌，但國外廠家對設備的使用、維修理念與國內有所不同，故目前減速機主要由國內減速機廠家進行再制造。減速機再制造完成組裝后，對其進行實況加載測試較為困難，目前多進行空載測試，如噪聲、震動、保壓等；但空載測試指標并不能完全保障減速機的性能，故廠家及使用單位需對減速機使用中存在的問題及現象進行反饋分析，為后續再制造改進提供便利。

3.5 主電機

圖4 主電機存在主要問題

在電驅盾構機中，主電機為刀盤轉動提供驅動動力。在電機拆解前需對絕緣阻值、軸承游隙等數據進行檢測記錄，并對外觀進行清潔、清洗；拆解后對各部件進行觀察及檢測并確定存在的相關問題。主驅動電機在再制造過程中的主要問題有軸承磨損游隙超標、冷卻水道內部銹蝕堵塞、定子內部進入異物腐蝕損壞電機絕緣、定子表面銹蝕等，如圖4 所示。因用電設備要求極高，以上每項問題均可導致電機報廢。在以往的再制造及使用中，電機的絕緣處理不當往往是造成返工的主要因素，故對線圈的繞制或蒸煮（處理油污等雜質）步驟，以及后續的絕緣處理是主電機再制造中的核心工作，直接決定了再制造電機的質量及性能。

4 再制造重點對施工作業的影響

盾構機作為多系統集成的大型專用設備，涉及領域廣泛，每個系統都包涵機械、液壓、電氣等多個技術點，如何掌握盾構機再制造的重點、各系統再制造的重點，對再制造工期籌劃、工序安排、技術方案制定、資金人員投入等至關重要。

以國內已獲得國家工信部盾構機再制造資質的某企業為例，盾構機再制造前需對機況進行勘察并制定前期策劃書，每個系統要再制造哪些內容，哪些是重點、難點等均需詳細列舉；然后根據以上內容制定人員投入計劃、工期計劃，以及對應的重難點系統的技術方案等；最后在根據人員投入計劃、工期計劃、技術方案預估整個再制造項目的費用情況。由此可以看出，掌握盾構機再制造的重點并進行梳理和落實，直接決定了再制造工程的質量效益與經濟效益。

5 結束語

在國內盾構機逐步老齡化、行業內尚無盾構機再制造相關標準規范的情況下，本文通過對土壓平衡盾構機主驅動系統再制造過程中需關注的重點進行了總結分析，可對盾構機主驅動及其他系統再制造標準規范的研究與編制提供參考；同時也是裝備制造及盾構機保有單位進行再制造或大修的指導范例，為降低再制造或大修成本、縮短策劃及再制造工期提供了便利。