超大直徑盾構刀盤驅動密封系統全壽命周期管理探究

陸豪杰/LU Haojie

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450000)

隨著盾構施工技術在國內隧道施工領域的應用日漸成熟，盾構機設計與制造國產化的進程也日益加速。目前，由于盾構施工行業市場與盾構設計制造國產化迅猛發展，缺少系統的應用技術研究和成熟的經驗支撐，配套的理論研究與應用技術創新達不到新發展形勢的要求，致使13m 級以上超大直徑盾構在施工應用中刀盤驅動密封系統故障頻發，進而帶來的工程風險和施工成本投入巨大，各大盾構制造廠商和應用單位只有采取“亡羊補牢”的方法進行補救。提高國產超大直徑盾構機在國際市場的競爭力，迫切需要開展超大直徑盾構刀盤驅動密封技術研究。

1 刀盤驅動密封系統原理

1.1 刀盤驅動結構組成

刀盤驅動是盾構關鍵部件之一，起著刀盤轉動破巖的關鍵作用，其設計的可靠度對盾構整體表現至關重要。刀盤驅動采用變頻電驅形式，主要由驅動箱、主軸承、密封、減速機、多組驅動單元關、主驅動密封、伸縮機構、相關結構換件等組成，同時具備伸縮擺動功能，方便刀具更換，如圖1 所示。

圖1 刀盤驅動結構示意圖

1.2 刀盤驅動密封系統

刀盤驅動密封系統包括內、外密封系統。其中，外密封系統由4 道唇形密封和迷宮密封腔、潤滑脂腔、潤滑油腔和檢測腔組成，它們各由一個密封隔環分離。內密封系統由4 道唇形密封和迷宮密封腔、潤滑脂腔、檢測腔和潤滑油腔組成，它們各由1 個密封隔環分離。主要由密封跑道、油脂環、唇形密封、密封壓環及密封隔環等組成，如圖2、圖3 所示。

圖2 密封系統結構圖

圖3 內、外密封系統示意圖

1.3 密封原理

1.3.1 外密封系統

外密封系統中油脂通過徑向分布的注脂孔被注入密封腔并充滿整個環形腔體，建立一種持續的壓力作用在油脂腔內。密封附帶有連續油脂潤滑和泄漏監測系統，檢測腔通過幾個徑向通道連接到盾體常壓側，可以方便地進行檢測。P0 側介質為HBW 油脂，P1 側介質為EP2 油脂，第一道唇形密封兩側注入兩種初始壓差約為0.5bar 的潤滑脂，在設定的反向壓差作用下，密封唇打開，兩種潤滑脂以一定壓力不斷被擠出，以阻止土倉中的土砂進入，其中潤滑脂注入采用每分鐘定次、定量的方式進行計量。

當水土壓力≤6bar 時，前面3 道腔體密封滿足使用要求，第4 道腔體為檢測腔，齒輪室不加壓。當水土壓力＞6bar 且≤10bar 時，第4 道腔體需調整為齒輪油加壓腔，齒輪室也相應加壓，外密封滿足10bar 的承壓能力。

1.3.2 內密封系統

內密封通常情況下為常壓密封，密封的潤滑在日常維護時集中以半自動方式進行。內密封的設計同樣與外密封設計一致，刀盤腔體為常壓模式時且齒輪室不加壓情況下，第3 道腔作為檢測腔，則前2 道需要間斷性注油脂使唇口充分潤滑，第4 道腔作為齒輪油腔，維持一定高度油量，使后部兩道唇口充分潤滑。

刀盤腔體為常壓模式時且齒輪室加壓且壓力≤4bar 時情況下，此時刀盤正面水土壓力可達10bar，則前兩道需要間斷性注油脂使唇口充分潤滑，第4 道腔作為齒輪油腔，維持一定高度油量和壓力進行支撐第4 道密封。若出現正面水土壓力達10bar，齒輪室加壓且壓力≤4bar 時情況下，刀盤腔已不具備常壓模式，需要旋轉刀盤進倉修理情況下，第3 道腔體需調整為齒輪油加壓腔，齒輪油腔能進行相應加壓，前面2 道腔體采用遞減方式減壓，以保證內密封滿足10bar 的承壓能力。

2 密封失效形式及危害

2.1 密封失效形式

1）唇形密封撕裂或密封及跑道磨損，油脂注入量和泄漏量增大。

2）橡膠過早老化和唇口的過度磨損。

3）主驅動運行過程中溫度達到60℃時密封產生粘接強度下降而出現開膠現象。

4）密封背部壓力喪失，在前端水土壓力作用下導致泥沙進入其中。

5）刀盤驅動部件強烈振動引起密封系統配合間隙過大，伴隨著水土壓力波動，密封瞬間補償不到位，產生“拉風箱”現象，導致前端泥水雜質進入。

2.2 密封失效的危害

如果施工過程中密封系統失效，將造成主軸承潤滑油泄露或泥水及渣土等進入主軸承或齒輪箱，主軸承及齒輪副會迅速造成破壞，即使故障發現及時，在隧道內對密封系統進行維修和更換也將延長工期，增加施工成本和安全隱患。

3 密封系統全壽命周期管理技術

3.1 設計與選型階段

3.1.1 設計計算

提供完整可靠的工程地質與水文地質資料，并分析設備在不同地層掘進的主要參數，由廠家進行充分的設計論證，保證主驅動性能滿足工程掘進需要，并有一定的冗余量。其中主軸承的承載力、使用壽命，密封的承壓能力，驅動的能力儲備均需重點核算。要求設備廠家提供設計選型、計算論證資料。

3.1.2 刀盤與刀具

1)刀盤設計與材料選型要合理，確保強度與剛度，滿足傾覆力矩要求，同時降低激振頻率耦合，創造良好的運轉環境。刀盤設計時，盡量增加刀盤分塊數量，可根據設計方案預先估算其分體質量及支撐剛度，避免參數落在敏感區間，刀盤分體質量分數控制在 13%～14%區間內，減小由振動造成的結構損傷。

2)刀具布置設計要力爭在破巖工作時使刀盤受力平衡，對于分體式結構的刀盤，可通過減小滾刀分組數的方式獲得更好的滾刀布局，分組內的滾刀盡量對稱布置，使相鄰編號的滾刀盡量呈對角分布。

3)將刀具磨損與刀盤振動實時監測系統整合為一個系統，提高掘進智能化程度，為主控室實時提供掘進狀態信息，以保證安全高效掘進。

3.1.3 驅動與傳動部件

1)主軸承及各環件設計與選型要合理，避免間、側隙值過大，引起過量的振動和傾覆力矩等不利影響。

2)在均勻地質情況下，驅動形式應該優先考慮選擇均勻布置形式，在復合地質情況下，驅動形式應該優先考慮選擇對稱布置形式。小齒輪設計時提高扭轉剛度，可采取縮短輸入端連接軸長度及采用空心軸結構，改善系統動態特性。

3)采用轉速主從控制策略直接對電動機輸出轉矩進行干預調整，提高刀盤驅動系統各電動機的同步性能。

3.1.4 密封系統

1)綜合考慮確定合理的驅動密封系統機構。

2)選擇最適合驅動密封的結構參數，使之能用于壓力工況。開挖倉壓力穩定的環境優先選擇硬度高的密封，壓力波動較大的環境優先選擇硬度低的密封。

3)優化迷宮密封結構形式，避免產生HBW的回流現象，減少唇形密封低壓側和迷宮腔均存在“死區”，造成內部油脂不流動，易導致泥沙堆積。

4）在材料方面應選擇高硬度值的壓緊環密封圈，必要時可增加壓緊環密封圈的數量；在結構方面應適當增加壓緊環的直徑，保證壓緊環有足夠的預緊行程施加更大的位移載荷，提高密封面接觸壓力。

3.1.5 潤滑與冷卻

1）密封和密封系統的設計、制造和運行，建立在與流體力學相關的一些原理上，諸如潤滑、摩擦、磨損、傳熱、材料性質和機械設計等。密封界面上物理過程受分子的相互作用、密封端面的幾何形狀、合適的力學平衡、傳熱和材料的性質等因素影響，作用機理非常復雜，很難用準確的分析計算來預測密封系統的運行特性。

2）要考慮密封的潤滑和冷卻，極端條件下還要考慮密封臨近的液體的連續交換?；趥鞲衅骷夹g的應用系統，配置潤滑油在線監測系統，實現實時監測、分析診斷、警報與預警、數據記錄與分析，提高設備可靠性和運行效率。

3）主軸承潤滑與密封系統采用刀盤轉速、推力、轉矩、土倉壓力與HBW 油脂系統和潤滑密封油脂系統脈沖計量動態平衡匹配的優化配置技術，對潤滑與密封系統進行分析與控制，從而實現主軸承動態平衡反饋式潤滑與密封，同時實現主動壓力控制。

3.2 制造與裝配階段

3.2.1 實施設備監理

在盾構整機制造過程中，要引入設備監理，嚴格把控制造與裝配的各個環節，確保工藝與過程可靠性。

1）主驅動零部件進場時審查質量證明文件。主軸承、大齒圈、密封、驅動部等必須開箱檢查，拍照留存影像資料，并做好開箱檢查記錄。主驅動部件安裝前，必須保證表面無油污，檢查確認設備狀態，安裝過程必須全程旁站。

2）根據廠家提供的安裝作業指導書，全過程見證刀盤驅動的密封裝配工序，無監造人員參加并簽字認可，不得自行實施或轉入下一道工序。如存在重大質量問題，監理人員提出書面函件并要求整改。

3）設備完成工位組裝調試后，按照調試驗收大綱進行驗收，包括安裝質量、轉速、啟動扭矩、主要性能參數、油脂注入等內容。

3.2.2 制造與裝配工藝控制

1）密封跑道可靠性受材質、熱處理工藝及機加工精度等因素影響。提升密封跑道材質與加工精度，優化熱處理工藝，確保摩擦面的硬度達到HRC50 以上。

2）按照驅動密封內外周安裝面的弧度分別加工壓板，確保密封壓板安裝后呈連續無間斷的環形，防止唇形密封的唇口預壓緊不一致，唇口扭轉或者運轉過程中密封的整體旋轉等不良安裝狀態，主驅動裝配完成后，應對其進行數圈轉動后進行保壓試驗，具體操作按照廠家提供的方案執行。

3.3 應用與維護階段

3.3.1 掘進參數優化

1）在工作中通過控制系統來使刀盤應受力均勻，同時兼顧切削效率。通過仿形刀的糾偏作用來消除刀盤工作中的偏心對挖掘方向產生的影響，安裝測試系統和輔助液壓缸解決由傾覆力矩對刀盤產生的受力不均。

2）綜合考慮刀盤外部激勵和各部件間的耦合關系，建立的盾構動力學模型，作為設備運行的指導依據。合理控制刀盤轉速與貫入度，設置最優切割參數，防止刀盤刀具發生共振和傾覆力矩過大，保證設備在安全的范圍內工作，提升盾構機的使用效率，延長密封系統的使用壽命。

3）在刀盤應力敏感位置處布置傳感器，以監測刀盤工作狀態，定期對刀具的磨損情況與刀具的位置誤差進行檢查。

3.3.2 組織保障

1）盾構TBM 的工作組裝必須按照技術方案進行，確保主驅動安裝質量。始發前，需確認主驅動系統每一路油脂、齒輪油或水通道通暢。密封形式采用HBW 或EP2 的盾構TBM，始發前需將油脂注入至飽滿狀態。始發前需按照工地組裝調試大綱，對主驅動進行全面的測試，達到設計要求。

2）各使用單位要組織學習研究主驅動的設備構造、掌握工作原理及參數，掌握影響主驅動使用安全的要害。對參與設備使用管理的全員進行培訓交底。

3.3.3 巡查與維護

1）檢查主驅動HBW、EP2、齒輪油流量、壓力、脈沖計數等參數是否正常。對于手動注脂的內密封形式，根據設計量要求每天注脂，并保持內密封周邊區域衛生清潔。杜絕無潤滑或欠潤滑的情況發生。

2）檢查潤滑系統、驅動箱油位是否存在異常，主驅動各重點部位是否存在油品滲漏的情況。檢查齒輪油濾芯前后端壓力值，并根據濾芯前后壓差和壓差開關反映的情況判斷是否需要更換濾芯，并對濾芯內存在異物進行記錄和分析，情況嚴重的應立即排查系統查找原因。

3）檢查驅動箱密封檢測腔是否有油液、油脂和水流出，并做好檢查記錄，如發現問題及時分析查找原因并采取有效的處理措施。

4）檢查油脂泵密封情況及其壓力參數，根據土倉壓力變化及時調整油脂注入壓力參數，發現密封磨損、壓力異常時，及時檢查更換密封、調整壓力參數。

5）檢查清理回油磁濾芯及拆檢回油管路，分析機械雜質的成分、形狀、大小來判斷主軸承的磨損情況。

3.4 存放與修復階段

3.4.1 刀盤驅動的存放

1）盾構進行存放時，需對主驅動進行專門的防護。主驅動應優先存放在室內。要做到防雨、防塵、防淹、防壓、防盜等措施，內部必須灌滿齒輪油，防止銹蝕。

2）拆機后單獨存放的主驅動，應做好底部支護，并搭設臨時防護棚。

3）拆機后單獨存放的減速機等零部件，包裹裝箱妥善保管。拆解后的主軸承、環件等應清潔后涂油包裹覆蓋。

4）存放過程中需定期進行巡查，發現問題及時整改。

3.4.2 刀盤驅動系統檢修

主驅動的檢修分使用過程中和設備拆機退場后，主要包括主驅動密封、驅動箱、主軸承、減速機等。使用過程中根據狀態監測分析和專項檢查，確定故障位置后制定專項的檢修方案實施。根據機況評估報告和設備使用履歷，綜合確定主驅動拆解檢修方案。

3.4.3 刀盤驅動密封的檢修

檢查主驅動唇形密封和其他密封件磨損情況，測量唇型密封磨損值，檢查密封自由狀態下老化、變形情況，與新購置的密封進行對比。檢查其它靜密封的粘結、磨損及變形情況。為保證密封件的可靠性，靜密封可以根據密封槽尺寸采購硫化好的密封圈，避免現場粘結造成密封失效。

3.4.4 主驅動密封跑道的檢修

檢查唇形密封跑道磨損情況，如已進行調整且再次磨損超限則需進行修復處理或更換。調整前，根據圖紙進行相關的計算，確定調整尺寸；協調盾構機設計、生產單位專業人員共同討論、制定調整方案，并在實施過程中進行精確測量復核調整尺寸。組裝完成后，根據實際情況對主驅動密封系統進行保壓測試，驗證調整后的密封效果。洞內調節密封跑道需要嚴格控制螺栓規格，調整后對密封腔進行保壓測試正常后方可恢復使用，避免因跑道調整造成背部密封圈失效。

3.4.5 油脂通道的檢修

對各油脂通道通暢情況進行檢查，如有堵塞或缺脂情況需對分配閥和管路進行檢查。檢查注脂通道、環件及密封腔體內存留油脂情況，記錄密封腔體內油脂未完全充滿的位置，拍照留存備查并分析原因，制定相關措施。

3.4.6 刀盤驅動密封性能的檢驗

主驅動組裝完成后需對各密封腔和齒輪箱體進行保壓測試，保壓正常方可安裝恢復。洞內密封異常時，需對密封腔和齒輪箱經保壓測試以便排查問題所在，并在恢復掘進前再次進場保壓測試以確保采取的措施的安全可靠性。

4 結語

工程實踐中，13m 級以上超大直徑盾構刀盤驅動密封系統的設計選型與應用技術及消耗控制多對比常規盾構經驗值，工作原理雖相通，具體實則差距甚大，而差距大在哪里，又缺少密封理論研究和應用技術量化數據支撐，僅管中窺豹可見一斑，如刀盤轉速、水土壓力、傾覆力矩、加工裝配精度和振動、材料疲勞強度和工作環境、迷宮密封機理、添加劑材料、摩擦等與密封壽命及消耗關系，涉及密封與潤滑、振動學、摩擦學、材料科學、流體力學等多學科理論科學與應用技術。本文結合諸多超大直徑盾構刀盤驅動密封失效案例，總結了驅動密封系統全壽命周期管理技術措施，為刀盤驅動密封系統理論研究、設計制造、應用與維護等方面積累了經驗，供大家參考，希望能起到拋磚引玉的作用，促進刀盤驅動密封系統理論研究、設計制造及應用技術長遠、深度發展，提升國家基建企業和制造業的競爭力和創新力。