康寶生，陳義得，陳 饋

(1.中鐵隧道集團有限公司專用設備中心，河南 洛陽 471009;2.盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南 鄭州 451003)

0 引言

金屬減磨修復技術是基于表面工程理論于20世紀末問世的在線式機械設備減磨修復技術，主要是以潤滑油脂為載體，將減磨修復劑輸送到摩擦副表面，利用摩擦過程中產(chǎn)生的瞬間高溫、高壓作用，進而在金屬摩擦表面形成一層類金屬陶瓷修復層，以實現(xiàn)金屬磨損表面的不解體修復。與傳統(tǒng)的各類減磨節(jié)能潤滑劑添加物在工作原理上有著本質(zhì)區(qū)別，金屬減磨修復技術是一種改性機械摩擦副的表面工程技術，而不是改進潤滑或潤滑劑的潤滑工程技術。金屬減磨修復技術可廣泛用于變速箱、齒輪傳動機構、發(fā)動機等零件，解決苛刻條件下的運動零件因為磨損嚴重導致的裝備使用壽命低、運行能耗高等問題。

通過我國鐵路近10年的專項試驗和規(guī)?；a(chǎn)應用，證明了減磨修復材料的安全性、有效性、實用性。結果表明:該技術應用在鐵路內(nèi)燃機機車的柴油機可節(jié)約燃油2.5% ～6%，可延長主要摩擦副氣缸套使用壽命3～4倍，同時提高了高速鐵路車輛的傳動齒輪、滾動軸承減磨耐磨性，在安全性方面也有很好的應用前景;將該項技術應用于冶金行業(yè)鋼廠齒輪傳動設備，使其能耗降低了9.0%;家用汽車采用該項技術后，汽車尾氣污染排放減少20%以上［1］。徐濱士［2］、于鶴龍等［3］、李征［4］分析研究了納米減磨修復技術對摩擦副磨損自修復的原理及效果;朱敏峰［4］對金屬減磨修復技術的機制與應用進行了研究;楊其明［6－7］、賴建華等［8］、王磊［9］、鄒穩(wěn)根［10］介紹了減磨修復技術在我國鐵路機車柴油機及船舶內(nèi)燃機上的應用成果;周艷梅等［11］、劉家浚等［12］對潤滑油中添加抗磨修復材料摩擦表面的自修復功能及延長使用壽命和節(jié)省維修費用等進行了研究。這些研究表明，在潤滑油中添加金屬減磨修復劑能夠有效減少摩擦副的摩擦，延長零部件壽命，減少維修費用，降耗提效，不會改變潤滑油的性狀。但其研究重點主要集中在新型添加材料如納米添加劑在潤滑油中的應用，金屬減磨材料在鐵路、船舶柴油機及鉆床、環(huán)錠細紗機等部分加工設備減速箱中的應用，未涉及工程機械，尤其是隧道掘進機的應用研究。

查閱相關文獻資料，目前國際上尚無減磨修復技術在盾構/TBM使用的試驗研究案例。本文介紹在昆明地鐵和長株潭鐵路項目土壓平衡盾構上實施減磨修復技術的案例，試驗證明金屬減磨修復技術運用于盾構主軸承齒輪箱、主驅(qū)動減速箱、螺旋輸送機齒輪箱具有減磨修復作用。

1 國內(nèi)外減磨修復技術發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外

俄羅斯自1995年開始，采用以天然礦粉為主的功能材料的技術路線，成功研制減磨修復產(chǎn)品并首先在軍工部門應用，后拓展到鐵路、航運、電力等民用行業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計，至今俄羅斯已有1 500家不同行業(yè)的企業(yè)采用該減磨修復技術。在英、美、德等西方國家，也在研發(fā)和使用減磨修復技術。

1.2 國內(nèi)

1999年北京鐵路局率先在北京型內(nèi)燃機車上進行了金屬減磨修復劑應用試驗并取得成功。從2001年起，該局在102臺各型內(nèi)燃機車柴油機上添加金屬減磨修復劑，進行擴大應用試驗，先后經(jīng)過近300臺機車應用，大部分取得良好的效果。試驗數(shù)據(jù)表明添加磨損自修復劑的效果明顯［10］。我國已在鐵路內(nèi)燃機車柴油機上大范圍應用進口和國產(chǎn)金屬減磨修復技術和產(chǎn)品，一些發(fā)電廠的減速齒輪箱和軸承、機械加工設備齒輪箱以及汽車發(fā)動機上也在推廣應用。

2009年12月，“中國設備管理協(xié)會機械設備減磨修復節(jié)能技術中心”成立。我國有多所高等院校和科研機構對減磨修復技術的機制進行多方研究，獨立研制成功金屬減磨修復產(chǎn)品［13］。

綜合分析各種成果資料，國內(nèi)外的減磨修復技術主要應用于機車車輛、船舶內(nèi)燃機及汽車發(fā)動機中，并都取得了明顯成效，在施工機械尤其是盾構/TBM主驅(qū)動、螺旋輸送機等的試驗研究尚屬空白。

2 盾構/TBM減磨修復技術研究的必要性

當前，盾構/TBM已經(jīng)成為我國地鐵、鐵路隧道，公路穿江越海隧道以及水利水電隧洞開挖掘進的關鍵裝備。決定盾構/TBM使用壽命的關鍵部件包括主軸承和主驅(qū)動。主軸承、主驅(qū)動和螺旋輸送機傳動齒輪的主要失效形式是磨損和沖擊，其異常磨損往往造成無法正常掘進乃至停機待修的嚴重后果。因此，應用成熟的減磨、抗磨和修復技術，提高盾構/TBM關鍵摩擦副的摩擦學性能，延長其工作壽命，保障和延長盾構/TBM工作周期，對加快隧道建設步伐，降低隧道建設成本，提升隧道建設現(xiàn)代化水平具有現(xiàn)實和長遠意義。

盾構/TBM工作環(huán)境特殊，施工過程中無法采用傳統(tǒng)的離線式減磨修復技術對其摩擦副進行現(xiàn)場不拆機的減磨修復處理。通過采用金屬減磨修復技術在盾構/TBM上進行試驗研究，以驗證摩安金屬減磨修復技術在盾構上應用的安全性、適用性與有效性，進而解決盾構/TBM存在的關鍵零部件異常磨損問題，最終延長設備使用壽命。

在隧道工程建設中，越洋過海、穿山破巖等關鍵工程越來越多地依靠盾構/TBM來完成。龐大的建設市場對盾構/TBM有較大的需求量。目前，我國盾構/TBM保有量已經(jīng)超過800臺，每年新增需求在100臺以上。據(jù)統(tǒng)計，全世界大約有1/3的能源以各種形式消耗在摩擦上，約有80%的機器零部件是因為磨損而失效［14］。如果成功研究出適用于盾構/TBM的減磨修復劑及修復方法，并廣泛推廣應用，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟及社會效益。

3 盾構/TBM減磨修復關鍵技術

3.1 減磨修復劑選擇與改進

目前，國內(nèi)使用的減磨抗磨產(chǎn)品較多，常用產(chǎn)品及主要用途見表1。

摩安是以“Mg6(Si4O10)(OH)8”羥基硅酸鎂為主要成分的天然層片狀硅酸鹽，其功能在于減少摩擦、修復磨損，具體表現(xiàn)在提高摩擦副表面的光潔度、硬度，使金屬摩擦副表面層得到改性，進而使得摩擦副在一個最佳的摩擦環(huán)境下工作，延長其使用壽命，具有在線、表面、微觀、自適應等特點。該產(chǎn)品已在鐵路內(nèi)燃機車柴油機成功使用，綜合考慮盾構/TBM特點，確定使用摩安修復試劑進行試驗研究。

表1 減磨修復產(chǎn)品比較Table 1 Comparison and contrast among different friction-reducing and self-repairing agents

3.2 盾構/TBM減磨修復內(nèi)容、方法和工藝

經(jīng)廣泛調(diào)研并與國內(nèi)知名專家交流，多次考察盾構施工項目、制造工廠，針對盾構設備結構、工作環(huán)境、使用特點、維保情況，確定了減磨修復試驗內(nèi)容、評價方法、工藝標準等。

3.2.1 研究內(nèi)容

選擇2臺規(guī)格型號、技術狀況相同的盾構/TBM在同一項目的左右線進行對比試驗研究。選擇添加對象和對照組，做好相應標記，確定實施方案。在施工過程中按照確定的時間和周期，采集油液進行光譜、鐵譜、油質(zhì)分析;采集振動、溫度等數(shù)據(jù)并進行分析，比較添加與不添加金屬減磨修復劑部件的差別，關注磨損趨勢。當掘進里程達到預定指標，具備解體檢測條件時，送廠解體，精確測量尺寸，通過數(shù)據(jù)對比和外觀情況準確判斷分析減磨修復效果。

就盾構/TBM而言，主要研究主軸承齒輪箱、主驅(qū)動減速箱等關鍵零部件磨損失效故障的表現(xiàn)、類型、特點等。包括:金屬減磨修復技術在盾構/TBM主軸承齒輪箱、主驅(qū)動減速箱等應用工藝的研究;金屬減磨修復技術在盾構/TBM上應用評價方法和相應檢測手段的研究;金屬減磨修復技術延長盾構/TBM主要零部件使用壽命效果的評價;金屬減磨修復技術在盾構/TBM上應用的可行性、有效性和適用性研究。

3.2.2 試驗流程

金屬減磨修復技術在盾構/TBM中應用的主要工藝流程分析如下:

1)設備調(diào)研。詳細分析研究盾構/TBM結構原理、工況特點、性能參數(shù)以及使用潤滑劑的要求。

2)設備診斷。確認設備機況完好、性能參數(shù)符合出廠要求。

3)選擇設備、確定添加方案。

4)添加減磨劑。設備磨合期剛過更換新油后為最佳添加時機，減磨修復產(chǎn)品用量為設備潤滑油總量的2‰～4‰，分2次添加，每次將10倍同型號潤滑油與減磨修復劑混合，通過強烈攪拌，使其均勻分散(分散溫度為60℃左右，最高不得高于80℃)。待設備運行滿足條件后按照預定方案進行添加。2次添加間隔1 h或1個掘進循環(huán)，添加后20環(huán)內(nèi)宜進行小負荷運轉，且短期內(nèi)(700 h)不得更換潤滑油。

5)數(shù)據(jù)采集。按照一定周期(7 d)采集以下數(shù)據(jù):①振動——指定位置的振動位移峰值、加速度真峰值、速度有效值;②電流(功耗)——電機驅(qū)動電流，必要時在空載或低負荷下測量電流數(shù)據(jù);③油溫——用熱電偶、點溫儀、紅外測溫儀等測量設備運轉條件下的油溫或箱體溫度;④噪音——測定指定位置的噪音;⑤拆檢(具備條件時)——拆卸設備，測量齒面硬度、齒面粗糙度、齒輪嚙合間隙等。

6)效果評價。在一定周期內(nèi)，依據(jù)采集的數(shù)據(jù)進行分析和評價。

7)持續(xù)改進。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果以及設備磨損情況，改進添加配比及工藝，確保試驗連續(xù)進行。

3.2.3 評價方法

對金屬減磨修復技術應用效果進行評價的方法包括:

1)油液理化監(jiān)測。包括油品理化指標試驗、光譜分析、鐵譜分析，油樣采集按確定的周期進行。

2)溫度監(jiān)測。利用設備監(jiān)控系統(tǒng)或紅外測溫儀等儀器測量設備殼體溫度，并以此溫度間接反映油溫。

3)振動監(jiān)測。利用設備監(jiān)控系統(tǒng)或測振儀測量齒輪箱的振動數(shù)據(jù)，必要時進行振動頻譜分析。

4)解體檢測。待設備運行一段時間，解體測量齒輪嚙合間隙、表面硬度，觀察摩擦面點蝕情況。通過各項指標的差別研究和分析，結合盾構/TBM的使用狀況，得出減磨修復劑在盾構/TBM應用的效果，確定合理的添加工藝和使用注意事項。通過大量數(shù)據(jù)分析，評估其提高設備關鍵摩擦副耐磨性能的有效性及在盾構/TBM全面推廣應用的可行性。

4 施工項目和設備選擇及取得的初步成果

4.1 施工項目和試驗設備選擇

首先選擇先始發(fā)的昆明地鐵軌道交通3號線2臺土壓平衡盾構試驗(鐵建重工生產(chǎn)，編號 DZ014和DZ015)，開挖直徑6 440 mm，設備性能參數(shù)一樣，掘進里程單線長2 137.5 m。通過本項目驗證添加工藝、添加方法及實施步驟等。接著在長株潭城際鐵路綜合Ⅰ標盾構上試驗。該盾構區(qū)間單線長度2 718 m，使用2臺海瑞克(S657和S658)土壓平衡盾構掘進，開挖直徑9 340 mm，盾構性能和技術參數(shù)一致。4臺盾構主要技術參數(shù)見表2。在施工過程中對油液進行光譜、鐵譜、油質(zhì)分析，對關鍵零部件進行振動分析，關注其磨損趨勢，比較添加與不添加減磨修復劑對零部件的影響。減磨修復劑添加位置見表3。

表2 選用盾構主要技術參數(shù)Table 2 Main technical parameters of TBMs

表3 盾構減磨修復劑添加(對比)位置統(tǒng)計Table 3 Adding positions of friction-reducing and self-repairing agents

4.2 初步研究成果

4.2.1 新型添加劑研發(fā)

在DZ014和DZ015盾構主軸承齒輪箱內(nèi)添加摩安原液后，出現(xiàn)了齒輪油濾芯堵塞報警、刀盤跳停的現(xiàn)象。經(jīng)反復試驗、分析和研究，找到了問題的癥結在于:汽車發(fā)動機、機車柴油機轉速高、升溫快、油溫高，摩安產(chǎn)品能夠良好地與潤滑油融合，而盾構主驅(qū)動軸承轉速慢、升溫慢、油溫低，原摩安產(chǎn)品不能很好、很快地與潤滑油融合。這就需要根據(jù)盾構/TBM特點，研制顆粒更細、快速融合、低溫、低速添加的減磨產(chǎn)品。經(jīng)過潛心研究、持續(xù)改進，成功開發(fā)出“盾構專用金屬減磨修復劑”。新產(chǎn)品實現(xiàn)了“冷”添加，即在常溫、低速、無需加溫的情況下與潤滑油均勻融合。

新產(chǎn)品研發(fā)成功后，DZ014盾構已經(jīng)貫通，DZ015盾構還有100環(huán)即將貫通，對于昆明地鐵盾構的試驗已無法開展，為了測試新產(chǎn)品的實際性能，避免長株潭試驗時造成主軸承齒輪箱油泵濾芯堵塞，在DZ015盾構上進行了再次試驗，試驗證明新產(chǎn)品有效解決了濾芯堵塞等問題，達到了預期效果。

4.2.2 提出了“能量輸出效率E”的概念

由盾構操作系統(tǒng)獲得的主驅(qū)動齒輪箱機電參數(shù)有刀盤扭矩、刀盤轉速和主驅(qū)動電機電流等。有別于其他穩(wěn)定工況下運行的機械設備，盾構工作環(huán)境和載荷多變，各機電參數(shù)彼此相關并起伏較大，任一個單項參數(shù)不能獨立反映乃至定量表征與減磨修復技術有關的機械摩擦能量損耗方面的變化。通過對盾構掘進過程中大量機電參數(shù)及檢測數(shù)據(jù)分析、推導、歸納、總結，提出“能量輸出效率E”的概念，作為評價減磨修復劑摩擦能量損失的綜合參數(shù)之一。

1)主驅(qū)動齒輪箱E。E=(刀盤扭矩 ×刀盤轉速)/主驅(qū)動電流=單位驅(qū)動電流所產(chǎn)生的輸出功率。

即:扭矩與轉速之積的量綱是功率單位，可表征主驅(qū)動減速箱輸出功率的大小。理論上，E值大，則表明每輸入單位驅(qū)動電流，輸出的功率高，即能量輸出效率高，機械摩擦損失小;反之，則機械摩擦損失大，效率低。在本研究中，通過試驗與對比兩臺盾構主驅(qū)動減速箱中影響機械摩擦損失的扭矩、轉速、電流等因素，即為研究減磨修復劑是否對減速機起作用。因此，E可作為評價該技術功能的組合參數(shù)。主驅(qū)動齒輪箱機電工作參數(shù)評價見表4。

表4 主驅(qū)動齒輪箱機電工作參數(shù)評價表Table 4 Mechanical and electrical operation parameters of gear box of main drive

由表4可知，S657(試驗)E值高于S658(對比)。高出的比例是:(0.209 59 ～0.176 69)/0.176 69=18.6%。說明在試驗盾構主刀盤驅(qū)動齒輪箱添加摩安后，其能量輸出效率高于對比機18.6%，這與減磨技術減少了齒輪摩擦損失有關。

2)螺旋輸送機齒輪箱減磨效果。與對刀盤主驅(qū)動減速箱參數(shù)的分析方法相同，根據(jù)螺旋輸送機工作原理，在試驗與對比2盾構結構參數(shù)相同的條件下，扭矩可表征能量輸入項，工作壓力可表征輸出項。工作壓力與扭矩之比，單位扭矩所輸出的壓力，可作為表征螺旋輸送機輸出能量的效率E值。此評價齒輪箱的傳動效率，即摩安技術是否具有減少摩擦損失的功能。

E=螺旋輸送機工作壓力/螺旋輸送機扭矩。通過大量統(tǒng)計分析，得出S657(試驗)與S658(對比)機電工作參數(shù)及E值，見表5。

S657(試驗)E值高于S658(對比)，高出的比例是:(2.745 ～2.534)/2.534=8.3%，說明在試驗盾構螺旋輸送機齒輪箱實施摩安技術后，摩擦損失減少，能量輸出的效率得到提高。

表5 螺旋輸送機機電工作參數(shù)評價表Table 5 Mechanical and electrical operation parameters of screw conveyor

4.2.3 安全及適用性分析

本項研究是在現(xiàn)場正在使用的設備上，以平行對比法進行。參照物是同型號、同工況、同時段的另一臺盾構中的同類部件(主軸承齒輪箱、螺旋輸送機齒輪箱)或同一盾構中功能、工況相同的部件(試驗機主驅(qū)動減速箱)。對比結果見表6。

表6 減磨修復技術試驗的主要參數(shù)對比表Table 6 Comparison and contrast among main parameters in friction-reducing and self-repairing tests

試驗表明:新開發(fā)的減磨修復技術應用于盾構主軸承齒輪箱、主驅(qū)動減速箱和螺旋輸送機齒輪箱是安全、適用和有效的。

5 結論與討論

1)相比較鐵路機車內(nèi)燃機轉速高、升溫快、油溫高、扭矩小，盾構/TBM相關部件轉速低、升溫慢、油溫低、扭矩大，開發(fā)更易融化、更易與潤滑油融合的減磨修復劑是盾構/TBM減磨修復技術成功的關鍵。

2)對采集的2 000多個油樣監(jiān)測數(shù)據(jù)進行黏度、機械雜質(zhì)等潤滑油理化指標的檢測和統(tǒng)計分析，通過對比分析可以看到盾構/TBM應用減磨修復技術與機車柴油機應用減磨修復技術具有相同的規(guī)律，添加減磨修復劑不會影響潤滑油的品質(zhì)和性狀。

3)盾構/TBM主軸承齒輪箱、主驅(qū)動減速箱等零部件的潤滑系統(tǒng)添加減磨修復劑可以通過減少扭矩、降低沖擊達到降低用電量，實現(xiàn)降低能耗，節(jié)能減排。

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