曾勇軍

(中國鐵建重工集團有限公司 湖南長沙 410100)

1 引言

盾構掘進機是城市地鐵及地下隧道施工中的重要設備，盾構施工是一個復雜的系統工程[1]，采用盾構機施工，大大加快了隧道掘進速度，減輕了施工難度，其施工效率及質量雙高、施工過程更加安全，已成為地下施工首選方案[2]。盾構機主驅動系統被稱為盾構機的“心臟”[3]，主驅動密封就是“心臟的隔膜”，其直接接觸渣土并阻止泥渣進入主驅動內部。

目前，盾構機主驅動密封環(huán)主要以調質后的42CrMo鍛件為原料加工制造而成。密封滑道面經過表面淬火處理，制造周期長、成本高，耐磨性能使用壽命有限，難以滿足盾構機的不斷發(fā)展對密封要求更耐磨、更長壽命、更換成本低的需求。

本文就某大直徑盾構項目盾構機主驅動支撐環(huán)密封滑道需要持久耐磨的要求，從結構設計、材料選擇、工藝制作等方面進行分析，對其密封滑道方案進行設計，尋找一種更耐磨的材料并提出新的工藝方案，通過試驗效果及實際工程案例效果判斷其方案實用性，達到節(jié)省專業(yè)設備、人員、加工費用，適應工地安裝。

2 外密封支撐環(huán)密封結構設計

盾構機主驅動支撐環(huán)密封滑道結構為圓環(huán)狀，唇形密封件與圓環(huán)外周緊密接觸達到動密封的效果，耐磨帶包裹支撐環(huán)形成耐磨滑道，耐磨帶主要受渣土及唇形密封帶重復摩擦，使用過程中需要表面具備高耐磨性，因此，設計主驅動外密封系統時，可選擇一種耐磨材料焊接成圓環(huán)，過盈配合裝配到支撐環(huán)圓環(huán)上，這樣滿足了滑道高耐磨性的要求，節(jié)省了加工費用，使密封支撐環(huán)免遭磨損，很大程度上提高了支撐環(huán)的使用壽命，使主驅動支撐環(huán)可重復使用。具體結構如圖1所示。

圖1 耐磨帶結構示意

3 密封環(huán)耐磨帶材料

為滿足主驅動支撐環(huán)耐磨性，常在支撐環(huán)的外表面進行表面淬火，要求淬火后表面硬度大于55 HRC，且硬度均勻，但隨著盾構機直徑的增大，主驅動密封環(huán)表面淬火工藝很難達到要求。

SK5鋼為高級碳素工具鋼，冷作模具鋼，含碳量為0.6%以上的高碳鋼，淬火后使用硬度50～60 HRC，該鋼具有較高的硬度，耐磨性優(yōu)良，滿足耐磨性要求。

SK5鋼帶廣泛用于因滑動摩擦需高硬度和耐磨損性的模具零配件，如導銷、襯套、頂出銷等。也用于加工木材用刃具、冷鐓模、亂刀、銼刀等，應用成熟。

使用SK5鋼帶焊接而成的圓環(huán)完全能滿足主驅動密封環(huán)結構設計的要求。

4 支撐環(huán)密封耐磨帶設計計算及制作

耐磨帶與密封支撐環(huán)通過過盈配合結合在一起，主驅動工作時，耐磨帶不允許滑動，同時保持耐磨帶拉伸狀態(tài)下不產生塑性變形，通過計算可得此過盈量，設計耐磨帶時取其范圍內數值即可。在支撐環(huán)旋轉情況下，唇形密封圈會在耐磨環(huán)上產生摩擦力矩，過盈產生的彈性壓緊力須抵消摩擦力矩，所以過盈量最小值為不能使耐磨帶工作狀態(tài)下滑動時的過盈量。但過盈量選擇也不能過大，在安裝完成耐磨帶后，過盈量過大使耐磨帶產生無法恢復的塑性變形，影響耐磨帶機械性能或因張力過大而發(fā)生斷裂，因此需要對耐磨帶過盈量范圍進行計算，設計完成的耐磨環(huán)過盈量應處于此范圍內。

由于被包容件厚度遠大于包容件，支撐環(huán)表面剛性遠大于耐磨帶鋼性，經計算，同等受力下，其直徑變化量可忽略不計。將包容件(耐磨環(huán))的最大最小過盈量作為聯接件最大最小過盈量，被包容件可忽略。

現以為實驗制作的耐磨帶及支撐環(huán)工裝為例進行計算說明，后續(xù)都以此工裝尺寸進行計算。

4.1 最大過盈量計算

包容件直徑比:

式中，df為結合面的基本直徑(mm)；da為包容件外徑(mm)。

包容件不產生塑性變形所允許的最大結合壓力:

式中，σsa為包容件屈服極限，實驗測得1 200 MPa。包容件不產生塑性變形所允許的最大直徑變形量:

式中，Ea為包容件彈性模量，取22 000 MPa，νa為包容件泊松比，取0.3。

故此條件下聯接件不產生塑性變形所允許的最大有效過盈量為21 mm。

4.2 最小過盈量計算

耐磨帶傳遞轉矩，轉矩大小為摩擦力矩，耐磨帶上裝配3件唇形密封，故轉矩為:

式中，d0為軸直徑(cm)；F0為密封時軸圓周單位長度的摩擦力(N/cm)，其取決于摩擦面的表面質量、潤滑條件、彈簧力等[4]，估算時可F0=0.3～0.5 N/cm，密封壓力較大者取上限，此處取0.3即可[5]。

傳遞荷載所需的最小結合壓強為:

式中，lf為軸直徑結合長度(mm)；μ為摩擦系數，取0.125。

包容件不產生塑性變形所允許的最小直徑變形量為:

故此條件下聯接件傳遞荷載的最小過盈量為0.108 mm。

耐磨帶聯接體過盈量為0.37～1.3，處于最小過盈量與最大過盈量之間，符合技術要求。

4.3 支撐環(huán)密封耐磨帶制作工藝

根據上述計算，確定并驗證過盈量后，將SK5耐磨帶焊接成圓環(huán)。由于板薄且密封環(huán)在密封系統中的特殊要求，焊接難度較大，一是焊后焊縫質量以及力學性能難以保證，二是耐磨環(huán)件設計要求尺寸無法控制，極易變形[6]。通過各項實驗，改變焊接方式，調整焊接工藝規(guī)程，采用如下焊接方法及焊接控制要點，SK5順利焊接成焊縫質量符合要求、尺寸偏差控制良好、焊縫表面光滑平整的圓環(huán)。主要焊接規(guī)程如下:

(1)采用閃光對焊[7]焊接工藝。

(2)耐磨帶接縫處焊接前呈現多毛刺狀態(tài)，增加焊接時接觸點。

(3)按閃光對焊焊接接頭焊后收縮規(guī)律，控制耐磨條下料長度，保證焊后圓環(huán)尺寸。

(4)檢查焊縫處平整度，焊縫連接良好，無凹凸不平現象，不平整處打磨平整。

(5)打磨連接處焊縫表面，測量焊縫處表面硬度不低于50 HRC。

(6)打磨焊縫進行RT探傷，RT探傷合格。

5 支撐環(huán)密封耐磨帶熱裝工藝設計

零件需要均勻加熱且加熱后應避免生銹，故適合采用油液進行加熱[8]。傳統加熱方式勞動強度大，安全性差，故加熱方式采用電阻加熱方式，便于控制[9]。耐磨帶制作好后通過加熱膨脹裝入支撐環(huán)中，由于環(huán)件具有壁厚極薄(1.25 mm)、降溫速度快的特性，通過計算確定加熱溫度及保溫時間，制定合理現場熱裝工藝。

5.1 加熱溫度的計算

(1)SK5為鋼制零件，取線膨脹系數a=11×10-6m/℃。

(2)查得，取經驗數據的最小比值，計算結合直徑裝配最小間隙Δ2=3 540×1/1 000=3.54 mm。

(3)被包容件(實驗法蘭環(huán))保持室溫不變，加熱包容件(耐磨環(huán))進行加熱，被包容件外徑尺寸公差，包容件內徑尺寸公差，故熱裝時的最大過盈量Δ1=1.3 mm。

(4)取環(huán)境溫度t=15℃，故熱裝時的加熱溫度tn=(Δ1+Δ2)/adf+t=(1.3+3.54)/11×10-6×3 540+15=139 ℃[10]。

(5)材料退火溫度180℃，加熱溫度低于引起材料材質變化的溫度，加熱到139℃對SK5材料性能無影響。

5.2 加熱時間和保溫時間的確定

加熱和保溫時間的經驗數據，一般可按每厚10mm需要10 min的加熱時間，每厚40 mm需要10mim的保溫時間進行計算。

故加熱和保溫時間為:

tm=(1.25/10)×10+(1.25/40)×10=1.56 min

用油加熱零件的加熱溫度比所用油的閃點低20～30℃，選擇一般齒輪油即可。

5.3 熱裝工藝

(1)熱裝場地選擇標準廠房內，室內溫度與室外溫度一致，空氣流動相對較小[11]，同時采取必要安全措施。

(2)使用提前制作好的密封性良好的環(huán)形密封槽進行加熱，倒入齒輪油，剛好漫過耐磨環(huán)即可，油液加熱保證了耐磨帶均勻受熱，加熱溫度至150～160℃，保溫2 min。

(3)人員穿戴好耐熱工裝提前在周圍分散均勻排開，待耐磨環(huán)加熱到要求溫度后，由2～3人使用鉗子將耐磨環(huán)提出加熱槽后，迅速由6～8人使用石棉手套捏緊耐磨環(huán)提升至支撐環(huán)上端面均勻展開，立即同時將耐磨帶放置到位并下放，要求動作快而準確，耐磨帶順勢滑入[12]。

(4)使用小皮錘敲擊耐磨環(huán)，待耐磨環(huán)安裝到位，冷卻后檢查耐磨環(huán)與支撐環(huán)是否緊密貼合，檢查無縫隙即可。

6 總結與應用

實驗中，通過合理的計算，完善的工藝措施，成功地將耐磨帶熱裝至支撐環(huán)上，順利完成了耐磨滑道設計安裝，驗證了密封環(huán)材料符合工藝要求，密封環(huán)制作工藝可行，裝配工藝適用，降低了盾構密封環(huán)制造成本及裝配難度。某實際工程掘進使用效果驗證了該SK5制作的主驅動密封環(huán)耐磨性良好，適應復雜工況要求，順利完成掘進任務。