賈 峰

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450003)

0 引言

南疆吐庫二線鐵路中天山隧道右線使用的TB880E型掘進機是1997年鐵道部從德國引進的首臺全斷面敞開式硬巖隧道掘進機，先后承擔了秦嶺隧道、磨溝嶺隧道的掘進任務(wù)，其后閑置達5年之久。2007年9月中天山隧道進場前，對TBM設(shè)備進行了系統(tǒng)的整修，截至目前，該設(shè)備在中天山隧道掘進達12 km，累計掘進已超過22 km。

掘進機是集機、電、液于一體的隧道施工機械，主軸承為掘進機的核心部件，其運行狀態(tài)決定著設(shè)備的使用壽命，也影響著設(shè)備的工作效率。主軸承密封是隔斷外界與主軸承的屏障，若施工過程中主軸承密封受損，則會出現(xiàn)漏油、進水、串脂、進粉塵現(xiàn)象，從而嚴重影響設(shè)備的使用壽命。文獻［1］探討了主軸承密封出現(xiàn)故障后拆解刀盤和主軸承密封修復工藝;文獻［2］介紹了通過油樣檢測對主軸承密封進行故障診斷;文獻［3］介紹了更換主軸承耐磨環(huán)的思路、工作程序、實施辦法和注意事項;文獻［4］介紹了洞內(nèi)更換密封的過程和密封失效的原因。主軸承的地位十分重要，一旦停機，洞內(nèi)處理難度增大，將嚴重延誤施工工期［5］。本文提出了主軸承密封系統(tǒng)失效后，通過優(yōu)化傳統(tǒng)修復工藝，針對問題提出創(chuàng)新修復工藝來修復主軸承密封系統(tǒng)，延長主軸承的使用壽命。

1 主軸承系統(tǒng)概況

1.1 主軸承結(jié)構(gòu)及安裝方式

TB880E型隧道掘進機刀盤驅(qū)動主軸承為三列圓柱滾子組合軸承，其外徑5 200 mm，滾道直徑約4 500 mm，可承受極大的推力載荷和刀盤傾覆力矩。通過72根M56－10.9級液壓預緊高強度螺栓與齒輪箱聯(lián)接，內(nèi)齒圈以64根M64－10.9級液壓預緊高強度螺栓與刀盤聯(lián)接，外圈以80根M72－10.9級液壓預緊高強度螺栓與前內(nèi)機架聯(lián)接(如圖1所示)。

圖1 主軸承結(jié)構(gòu)及安裝示意圖Fig.1 Structure and installation diagram of main bearing

1.2 主軸承密封系統(tǒng)

主軸承設(shè)有外密封和內(nèi)密封2套密封系統(tǒng)防止塵碴和水的侵入(見圖1)，內(nèi)、外密封均包括迷宮密封和3道唇形密封。其中，2道密封朝向灰塵可能侵入側(cè)(即刀盤方向)，1道密封朝向軸承潤滑油側(cè)。刀盤側(cè)2道密封形成的空腔連續(xù)不斷地泵入油脂，油脂在空腔內(nèi)蠕動，擠出后流向唇形密封前面的迷宮密封中。由于油脂不斷泵入，最終通過迷宮密封排出，并將迷宮內(nèi)的雜質(zhì)攜帶出去，保證主軸承內(nèi)的清潔。中間唇形密封和朝向潤滑油的唇形密封之間的區(qū)域連續(xù)不斷地被潤滑油沖刷，這樣可以保證密封的潤滑［6－8］。

密封接觸表面進行了硬化處理和磨削加工，在正常條件下，可使密封經(jīng)久耐用。如果表面出現(xiàn)磨損或需更換密封件，可將他們單獨移動到新的表面上，而不需更換耐磨環(huán)。

1.3 主軸承的特點

主軸承和驅(qū)動組件采用強制循環(huán)潤滑系統(tǒng)進行潤滑。齒輪和主軸承區(qū)域被密封隔開，只允許潤滑油從主軸承進入齒輪箱，防止齒輪運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磨粒進入軸承。從潤滑油循環(huán)系統(tǒng)的過濾器中取出的油樣可以用來檢查密封系統(tǒng)的狀況［9］。

主軸承是TBM最關(guān)鍵的核心部件之一，其狀況直接影響到TBM的掘進性能。使用過程中如果出現(xiàn)故障，由于洞內(nèi)作業(yè)空間狹小，修復工作將非常困難。

2 主軸承油水檢測及故障診斷

2.1 油水檢測

2012年7—8月發(fā)現(xiàn)主軸承內(nèi)迷宮處出脂口溢出的油脂不均勻，發(fā)現(xiàn)內(nèi)圈出脂口和迷宮磨損嚴重，主軸承齒輪油進潤滑脂較大，檢查結(jié)果顯示齒輪油的機械雜質(zhì)達到0.04%，有水分和粉塵進入。

2.2 故障排查

主軸承內(nèi)圈有大量串脂和粉塵進入，說明主軸承內(nèi)圈唇形密封有一定的損傷或耐磨環(huán)已磨成溝槽狀;對主軸承密封進行液壓沖洗后發(fā)現(xiàn)有齒輪油溢出現(xiàn)象，說明內(nèi)圈耐磨環(huán)已被磨損;刀盤螺栓孔處有游離水、粉塵、油脂，說明主軸承密封有一定損傷［10］;氣密試驗未發(fā)現(xiàn)粉塵和水從呼吸器、冷卻器、齒輪油箱蓋、小齒輪軸承蓋板等處進入主軸承和齒輪箱。綜上所述，內(nèi)圈密封已經(jīng)出現(xiàn)了損壞，因此，需要拆解主軸承，更換唇形密封。

3 故障處理方案及實施

3.1 制定方案

由于主軸承位于刀盤內(nèi)部，需要將刀盤與主軸承脫離才能對故障進行處理。先拆除48顆刀盤聯(lián)接螺栓，預留對角各8顆螺栓，對刀盤進行固定，拆除刀盤預留的連接螺栓，主機退后1.2 m，然后對主軸承故障進行維修處理。

3.2 刀盤固定及脫離

3.2.1 刀盤固定

刀盤的固定主要采用錨桿和鋼板墊塊。利用刀盤上部的3個刮碴孔向周邊巖壁進行鉆孔，并分別埋設(shè)5根φ 22錨桿，在下部左右兩側(cè)各施作2根φ 22錨桿，然后利用錨固好的錨桿與刀盤焊接連成一體來固定刀盤。將鋼板墊塊疊加電焊在一起作為刀盤支撐墊塊，分別安裝在刀盤下部5個支撐點。

3.2.2 刀盤與主軸承脫離

刀盤墊好后，對刀盤與主驅(qū)動預留的聯(lián)接螺栓逐一松動，消除存在的應(yīng)力，防止機體與刀盤分離時發(fā)生較大位移。刀盤固定后，用2個50 t千斤頂裝設(shè)在刀盤后端鋼板與護盾之間，使刀盤與主驅(qū)動定位銷脫離，主機內(nèi)凱后退1.2 m，以提供更換密封所需的作業(yè)空間，文獻［1］中已詳細地介紹了刀盤與主軸承脫離的工序。

3.3 主軸承故障分析及維修

3.3.1 主軸承拆解及故障分析

主軸承內(nèi)圈迷宮密封分別有6塊迷宮組成，對內(nèi)、外迷宮依次進行編號，防止修復后和安裝時出錯，然后拆除迷宮。拆除后發(fā)現(xiàn)內(nèi)、外迷宮磨損嚴重(見圖2)，內(nèi)密封的耐磨鋼帶已經(jīng)斷裂脫落;唇形密封取出后，發(fā)現(xiàn)第1道密封已被鋼帶刺穿(見圖3)，其余密封基本已變形失效;拆除內(nèi)圈其他附件后，發(fā)現(xiàn)耐磨環(huán)上完好的鋼帶已被磨損成溝槽狀(見圖4)。

經(jīng)分析研究，總結(jié)出故障發(fā)生的原因有:1)外側(cè)的鋼帶斷裂并脫落，導致第1道密封刺穿，造成第1道密封完全失效。2)耐磨鋼帶的磨損導致密封唇口與耐磨環(huán)的配合間隙達不到設(shè)計和使用要求，密封效果不理想，無法形成連續(xù)的阻隔帶。3)主軸承內(nèi)迷宮密封和外迷宮的3道唇形密封磨損嚴重，間隙過大，無法起到密封作用，導致水和粉塵進入主軸承內(nèi)部。

3.3.2 主軸承密封系統(tǒng)維修及安裝

3.3.2.1 迷宮密封修復

迷宮能有效地保護內(nèi)圈密封，一方面能夠阻隔大塊石子進入密封，另一方面，密封內(nèi)不斷涌出的油脂可以將顆粒小的石子及粉塵排出。迷宮間隙過大，粉塵、水等雜質(zhì)就會進入主軸承，對主軸承造成毀滅性破壞，所以，修復迷宮的成敗決定了密封更換的成敗。

現(xiàn)需要將磨損嚴重的迷宮焊接修復，使其性能接近原設(shè)計標準(見圖5)。在修復過程中，大量的焊接會導致迷宮弦長變大(迷宮為圓弧狀)和上翹，致使迷宮無法安裝，修復失敗;其次，外迷宮為不動體，內(nèi)迷宮為旋轉(zhuǎn)體，修復后要保證唇口的間隙，減少旋轉(zhuǎn)對內(nèi)、外迷宮的磨損。

圖5 原設(shè)計迷宮Fig.5 Original design of labyrinth

1)外迷宮修復。采用100 mm的鋼板做為基座，將迷宮和鋼板接觸面打磨平整，將迷宮放在鋼板上，通過段焊來固定迷宮(見圖6)，在迷宮的唇道加焊鍵條，最后進行打磨。

圖6 修復外迷宮Fig.6 Outside labyrinth repairing

2)內(nèi)迷宮修復。以1個修復好的外迷宮為基準安裝在主軸承上，將所有內(nèi)迷宮通過螺栓固定在主軸承上加鍵條焊接修復(見圖7)，在內(nèi)迷宮修復過程中，對1塊迷宮焊接一段后再與其他迷宮進行輪換焊接，防止焊接時間過長引起迷宮變形。

圖7 修復內(nèi)迷宮Fig.7 Repaired inside labyrinth

在2個內(nèi)迷宮的接頭處，由于沒有螺栓固定，焊接過程中會出現(xiàn)變形(見圖8)，在內(nèi)迷宮焊接完成后，將變形的迷宮再進行修復處理(見圖9)，將修復好的內(nèi)、外迷宮安裝在主驅(qū)動上，完成迷宮的修復(見圖10)。

3.3.2.2 更換耐磨鋼帶

1)耐磨環(huán)凹槽的加工。清除凹槽表面含粉塵的潤滑脂，找出原耐磨鋼帶的接頭部位，做好標識。用拋光機砂輪片把損壞的原耐磨鋼帶切斷，將原耐磨鋼帶沿粘合面撕脫，清理凹槽內(nèi)的殘留物，用拋光機把凹槽受損部位打磨光滑平整，并在耐磨環(huán)凹槽兩側(cè)標示油道位置，測量并記錄油道孔尺寸(見圖11)。

清洗凹槽表面，用可塑鋼修補劑修補耐磨環(huán)上被唇形密封磨損的形成凹槽，可塑鋼修補劑生效后用刀片刮平，如圖12和圖13所示。

2)耐磨鋼帶的切割。為了使耐磨鋼帶與耐磨環(huán)粘合達到好的效果，需用拋光輪清除鋼帶表面打磨所產(chǎn)生的灰塵，見圖14。

將鋼帶起始端按入耐磨環(huán)最頂端的凹槽內(nèi)，用專用夾具壓緊耐磨鋼帶一端(見圖15)，將整條耐磨鋼帶逐步按入耐磨環(huán)凹槽，每2 m安裝一個專用夾具。當耐磨鋼帶兩端重疊時，檢查耐磨鋼帶與耐磨環(huán)凹槽的間隙，確保整條耐磨鋼帶壓緊在耐磨環(huán)凹槽上。

在兩端的搭接處用劃針劃出耐磨鋼帶的切割位置，切割后，鋼帶兩端應(yīng)有焊接用的5 mm接縫間隙(見圖16)，以便下一步的焊接。

3)耐磨鋼帶安裝緊固。將1895粘結(jié)膠按比例混合調(diào)和后均勻地涂抹在耐磨鋼帶粗糙的粘結(jié)面上(見圖17)，兩端預留30 mm(見圖18)，確保下一步能干凈地進行接縫焊接。

用專用夾具夾住起始端，從接縫位置按順時針方向?qū)⒛湍ヤ搸нB續(xù)按入凹槽，并安置寬約32 mm的打包機彈簧鋼帶(見圖19)，扳動打包機，使耐磨鋼帶能拉緊。

圖19 打包機壓緊鋼帶的安裝位置Fig.19 Position of clamping device

4)接縫焊接。耐磨鋼帶夾緊后，用氬弧焊機對耐磨鋼帶兩端接縫進行點焊(見圖20)，拆掉打包機的彈簧鋼帶，將整個焊縫焊滿。

圖20 點焊接口Fig.20 Spot welding of joint

由于焊縫高于耐磨鋼帶，需對焊縫進行仔細打磨，使耐磨鋼帶焊縫有較高的光潔度(見圖21)。

圖21 打磨后的焊縫Fig.21 Ground welding seam

焊縫冷卻后，將新混合的膠合劑與金屬切屑混合，通過注膠孔注入耐磨鋼帶接縫部位，注滿后用堵頭把2個口堵住。膠變硬后，除去表面保護用的粘膠帶和粘結(jié)膠殘留物。

根據(jù)原來油道孔的標識，用磁力鉆在鋼帶與耐磨環(huán)對應(yīng)位置打出油道孔，開啟油脂泵，使油道泵出油脂(見圖22)，排出打孔產(chǎn)生的鐵屑，清潔各工作面。

3.3.2.3 密封安裝

此TBM的密封有3種安裝方案，見圖23。在主軸承運行過程中，唇形密封的唇邊易把耐磨鋼帶磨損成溝槽狀，導致密封效果不佳，嚴重時導致鋼帶斷裂，刺穿密封。在密封效果不佳且耐磨鋼帶完好的情況下，可以按方案1—方案2—方案3的順序依次對密封進行換位，避開耐磨鋼帶的溝槽來改善密封效果。由于不需要更換鋼帶，從而節(jié)省了維修時間，提高了設(shè)備的利用率。

由于TBM已經(jīng)嚴重老化，迷宮等保護密封的關(guān)鍵部位都已磨損，其性能已經(jīng)不能達到設(shè)計要求。修復主軸承采用方案2進行，一方面，第1道密封的檔圈可以有效保護密封;另一方面，密封效果不佳時，只通過密封換位就可以解決故障，不需要更換鋼帶。利用專用工具依次安裝內(nèi)圈密封部件，在安裝前2道密封時，在其唇口內(nèi)涂滿油脂(見圖24)。

圖24 安裝內(nèi)密封Fig.24 Positioning of inner seal

3.4 刀盤復位

耐磨鋼帶和密封更換完成后，依次安裝其他部件。拆除作業(yè)平臺，清潔結(jié)合面，把定位銷安裝到位，推進主驅(qū)動，使刀盤與主驅(qū)動結(jié)合。利用螺栓拉拔器十字方向安裝刀盤連接螺栓，對稱預緊后最終緊固到位。拆除刀盤固定裝置，恢復掘進狀態(tài)。

3.5 處理效果

經(jīng)過20 d的努力，完成了主軸承修復工作，掘進工作恢復正常。在1個月內(nèi)掘進150 m，通過對主軸承潤滑系統(tǒng)的油樣進行分析，未發(fā)現(xiàn)水、機械雜質(zhì)超標，更換濾紙袋也未發(fā)現(xiàn)有粉塵進入，主軸承內(nèi)、外圈出脂狀況良好，主軸承運轉(zhuǎn)正常，表明此次主軸承密封修復成功。

4 結(jié)論與建議

通常情況下，主軸承洞內(nèi)維修需要通過迂回導洞開挖擴大側(cè)室，且耗時長，損失大。本次主軸承密封修復工作沒有對洞室進行擴挖，只是改變修復工藝，對傳統(tǒng)的修復工藝進行了改革創(chuàng)新，并且針對問題提出新的修復工藝，通過此次修復，能夠延長主軸承的使用壽命。

在今后TBM施工過程中，必須加強油水檢測力度，結(jié)合鐵譜、光譜分析技術(shù)對油質(zhì)的性能指標和磨損磨粒、污染度等進行檢測。詳實記錄油樣檢測數(shù)據(jù)，根據(jù)油水的檢測結(jié)果對主軸承內(nèi)部情況進行分析，并且對主軸承外圍定期進行檢查，對主軸承出現(xiàn)的異常情況做出及時處理，防止此類故障的再次發(fā)生。

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