盾構螺旋輸送機驅動密封故障處理與防護技術

吳朝來

(中鐵隧道集團有限公司專用設備中心，河南洛陽 471009)

0 引言

盾構機螺旋輸送機的作用主要是出渣和調節土倉壓力。在盾構施工過程中由于地質條件、操作和設備自身等因素造成螺旋輸送機葉片的磨損，致使刀具碎塊、楔形塊等物體容易進入螺旋葉片外緣與簡體之間，易將螺桿卡死，并造成螺旋機嚴重磨損，使得葉片與筒體內徑之間間隙過大，影響出土效率以及出現螺桿焊接位置容易斷開，唇形密封損壞等現象［1］。目前已有很多關于螺旋輸送機損壞維修的實例及研究，如:文獻［2－4］主要介紹了螺旋輸送機葉片磨損機制及分析;文獻［5］主要介紹了螺旋輸送機的故障處理及日常維護;文獻［6］主要對土壓平衡盾構螺旋輸送機的維修技術進行了探討;文獻［7］主要介紹了盾構螺旋輸送機在隧道內拆卸與維修技術。但很少有螺旋輸送機驅動密封故障處理措施的介紹。本文結合重慶市軌道交通六號線施工過程中多臺盾構螺旋輸送機的維修實例，針對螺旋輸送機驅動密封損壞，導致減速箱漏油和進泥沙這一現象，著重對螺旋輸送機驅動密封故障處理與防護技術進行了探討。

1 工程概況

重慶市軌道交通六號線為南北走向，南起重慶市南岸區茶園南站，經渝中區、江北區、北部新區至北碚區五路口站，線路全長65.46 km。六號線二期工程線路長41.78 km，其中盾構試驗段工程區間線路總長15.262雙線km。區間隧道穿越地層為第四系全新統松散土層和侏羅系中統砂溪廟組砂巖、泥巖，為良好的基巖地層，完整性較好;巖石天然抗壓強度為6～41 MPa，砂巖石英含量高達52% ～73%。整體性較好的基巖對盾構刀盤、刀具的耐磨性、破巖效率、刀具壽命，螺旋輸送機的耐磨性、出渣效率，盾構的碴土改良、設備防扭等都提出了很高的要求。

2 螺旋輸送機結構原理與故障現象

2.1 螺旋機結構原理

盾構采用周邊驅動的軸式螺旋輸送機出渣，包括1個200 kW電動機驅動的5個液壓馬達、小齒輪、大齒圈、滑動軸承等，最大輸出扭矩為145 kN·m，轉速為0～18 r/min，如圖1所示。螺旋軸采用驅動端固定，另一端浮動支撐的形式及前后各2道唇型密封保護軸承，通過軸承圓周上的幾個孔用遞進式分配閥將油脂持續注入;在螺旋機的進口處及減速箱前各配3個泡沫劑注入口;在螺旋機中間位置配備3個膨潤土注入口;以便盾構機在砂層掘進過程中，根據需要可注入添加劑改善土體的塑流性，減小渣土與機殼、螺桿之間的磨阻力，以降低螺旋機的扭矩和對螺旋機殼體與葉片的磨損。

圖1 螺旋機驅動原理圖Fig.1 Driving mechanism of screw conveyor

2.2 螺旋機故障現象

在施工過程中，部分盾構螺旋輸送機齒輪箱中出現少量的水和泥砂，同時潤滑油消耗量也逐漸加大，隨后的掘進過程中，齒輪箱中涌入的泥砂越來越多且油液的消耗量也相對增加，后來需每環補加1次(約19 L)方可掘進。這種情況下判斷出螺旋輸送機驅動密封已損壞，為防止減速箱及其他部件損壞，決定在洞內實施螺旋機密封更換。螺旋機新舊密封對照圖如圖2所示。

3 螺旋機密封失效原因分析

通過對螺旋輸送機工作原理及出現故障的實際情況進行綜合判斷分析，總結出導致螺旋機密封損壞的原因主要有以下幾方面。

1)螺旋機設計不合理。由于螺旋輸送機的工作環境惡劣、受力狀態不良，采用前后2組滑動軸承(即銅套)代替以往的滾動軸承是不合理的。因為滑動軸承適于承受較大的徑向力，螺旋軸與滑動軸承間保留有一定的間隙，期間要有足量的潤滑油脂(帶有一定壓力);但實際的工況是，螺旋機的軸處于懸臂狀態下，滑動軸承不僅受部分徑向力，還受相應的彎矩。

2)螺旋機螺桿傾斜。螺旋輸送機螺桿傾斜是導致密封損壞和齒輪油不斷減少的主要原因。本設備掘進的地層以砂巖為主，石英含量較高和螺旋機本身材料原因，導致螺旋葉片磨損過快，且磨損量超過了設計最大值，無法利用渣土將螺旋軸懸浮，致使螺桿嚴重傾斜，使唇形密封與腔體間隙過大，油從密封間隙中流失，泥漿涌入減速箱造成密封損壞，如圖3所示。

3)筒體連接面磨損。在螺旋機葉片磨損后，導致螺旋機筒體連接面磨損，使驅動前部上側筒體連接面間隙抵消且緊緊壓死，在螺旋機出渣旋轉中連接面會不斷磨損。螺旋機筒體連接面起到迷宮密封作用，設計厚度為15 mm，磨損后測得邊緣處只有5 mm。這樣使原有的密封作用失效，泥漿涌入唇形密封唇口處，使密封損壞，減速箱進泥，加劇了齒輪油的損耗及齒輪和軸套的磨損。每個筒體連接面的間隙都遠遠大于設計間隙，即使新密封更換后也無法達到預期效果，如圖4所示。

4)螺桿向前躥動。螺桿向前躥動導致減速箱箱體磨損。螺旋輸送機在工作中銅套磨損及其他配合間隙不斷增大，由于螺旋輸送機的安裝角度為21.5°，導致在出渣時螺桿受渣土的反力、自重與振動作用向下滑動，使大齒圈與箱體接觸(如圖5所示)，出現箱體局部損壞現象，且使螺桿在驅動端固定作用減弱，在掘進過程中無法更好地起到浮動支撐作用，在螺旋機工作中出現振動較大的現象。

5)油脂注入量不足。螺旋輸送機的驅動密封中通過注入EP2來實現密封潤滑及填充密封腔的作用，前后密封腔各有4道油脂注入孔，通過遞進式分配閥來實現均勻分配，其注入的最大流量為0.4 L/h(注脂原理如圖6所示)。盾構掘進處于保壓狀態時，設計的滑動軸承處的注脂壓力明顯不足(達不到設計要求)，即螺旋機內部壓力大于油脂注入壓力，造成泥漿滲入密封內，使唇形密封唇口受到磨損。

4 洞內螺旋機密封更換

由于減速箱內泥砂進入較多，為了防止泥砂對箱體內齒輪、軸套等部件產生進一步損傷，決定進行螺旋機驅動唇形密封更換。

1)螺旋機加固。為了減少密封更換時間，防止拆卸后錯位進而影響安裝，首先將螺旋輸送機螺桿完全收回，然后將出料口段用工字鋼固定在設備橋兩側，并用手拉葫蘆將其固定在管片螺栓上。

圖6 驅動密封注脂原理圖Fig.6 Principle of greasing of drive sealing

2)螺旋機后部密封拆卸。先將螺旋機驅動部分與螺旋機后閘門段之間的連接螺栓拆掉，將螺旋機伸出，這樣螺旋機后部唇形密封就完全暴露出來，可將其拆卸，并對密封腔內的污油、泥砂等雜物清理干凈后更換新密封與鋼環。更換完畢后可將螺旋機再次收回(為了安全采用現場控制)，使驅動段與后閘門段對接安裝螺栓并緊固。

3)螺旋機前部密封更換。前部密封更換完畢后，將螺旋機驅動部分也用工字鋼焊接在設備橋上，并在頂部用手拉葫蘆固定在管片螺栓上，固定完畢后將驅動段與全部筒體段的連接螺栓拆卸;再次將螺旋機伸出，前部唇形密封也暴露后，即可進行密封腔清理和密封更換工作;最后將螺旋機收回，安裝連接螺栓并緊固。

4)連接油脂管路。將原有的EP2油脂管路正確連接后，將HBW密封油脂管路和馬達分配器進行布置連接，確保管路連接正確。

5)拆卸與清理。更換完畢后將固定架割除并拆卸手拉葫蘆，檢查各部分連接是否正確，然后試運行。

5 防止螺旋輸送機驅動密封失效的措施

由于造成螺旋輸送機密封損壞失效的主要原因是螺旋葉片及筒體嚴重磨損和油脂注入量不足，為此提出故障預防和處理措施。

5.1 預防措施

1)螺旋機結構優化。在螺旋輸送機選型中，避免選擇目前采用的滑動軸承(即銅套)，應更換為滾動軸承的形式。目前采用滑動軸承的螺旋機在“中鐵裝備”、“Lovat”、“Komatsu”中都出現了類似問題，而采用調心軸承的“海瑞克”、“法馬通”中則均無此類故障。

2)渣土改良。為方便土體開挖，需要注入泡沫劑，以改良渣土的密封性和流塑性。不僅具有減少磨損和調節土倉壓力的作用，同時還有潤滑的功能。為此，在砂巖掘進中，渣土改良的好壞決定著刀盤和螺旋機磨損的輕重。在掘進時應嚴格控制泡沫注入量，必要時添加膨潤土，改變渣土的流塑性，減少對螺旋機葉片的磨損［8］。

3)合理選擇螺旋機轉速。選擇合理的螺旋機轉速有助于減少螺旋機葉片與筒體的磨損。理論上，螺旋輸送機的排土量Q是由螺旋輸送機的轉速n來決定的，它們之間的關系［9］是:

式中:Q為理論輸出量，mm3/h;D為螺旋機筒體內徑，mm;P為螺旋節距，mm;d為螺旋桿直徑，mm;n為螺旋速度，r/min;η為螺旋機的出土效率，%。

刀盤對土體的開挖量

式中:Q1為刀盤開挖量，m3/h;R為刀盤開挖半徑，m;v為掘進速度，mm/min;β為巖石的松散系數。

當螺旋輸送機理論輸出量Q等于刀盤切削量Q1時，土倉內壓力達到平衡［9］，存在如下關系:

根據重慶地質條件可知:松散系數β約為1.54;螺旋機的出土效率η約為0.6;盾構刀盤開挖半徑R為3.14m;螺旋機筒體內徑D為750mm;螺旋節距P為630 mm;螺旋機螺桿直徑d為194 mm。由以上條件又可得到螺旋機轉速與掘進速度的關系為

由此可以得出，當推進速度為50mm/min時，螺旋機的轉速應選擇15 r/min為宜。

4)防止空倉掘進。采用氣壓模式掘進時，土倉中的渣土較少，造成螺旋機的出渣效率較低，無法將螺旋機的螺旋軸懸浮起來，加快了螺旋機葉片和筒壁的磨損。因此，防止空倉掘進，保證有足夠的渣土懸浮螺旋軸是減少螺旋機葉片和筒壁受到磨損的有效手段。

5)嚴控加工工藝。螺旋取土端的內壁焊接有耐磨合金，螺旋葉片邊緣焊有硬質耐磨層，葉片兩側堆焊有硬質合金條紋，這些設計使得螺旋機具有較好的耐磨性能。加工過程中要根據設計要求進行加工，由于螺桿為45#鋼，焊接性能較差，需合理的焊接工藝才能保證焊接質量(焊前預熱到150～250℃，焊后進行去應力熱處理，一般600～650℃保溫3～4 h)。

另外，在制造與組裝中要嚴格把好質量關，保證螺桿的加工精度，減小螺旋機同軸度誤差，保證螺旋機運轉時螺旋軸與筒體的間隙。

5.2 故障處理

1)螺旋機葉片修復。測量螺旋葉片磨損量(螺旋機葉片厚度的初始值為272 mm)，螺旋葉片磨損量是由取土端向驅動端呈遞減磨損。在洞內對葉片磨損部位按磨損的實測情況可通過土倉內和螺旋機筒體的3個觀察孔進行分段焊接HARDOX－500耐磨鋼板，堆焊耐磨焊條，如圖7所示。

葉片補焊作業需注意以下問題:①保證焊接后葉片的圓弧度和平整性，不能有局部突出現象，防止在恢復后的運轉中出現筒體磨損及卡螺旋機的情況;②在葉片和耐磨板上開焊接坡口，保證焊接質量;③嚴格按照測量結果選取耐磨板的厚度，保證與螺旋機葉片的外徑一致;④在補焊工作完成后，清理螺旋機內的雜物與工具，防止掘進時造成卡螺旋機現象;⑤在恢復掘進后要對螺旋輸送機的運行狀態進行檢測，檢查是否存在異響和振動較大的現象。

圖7 螺旋葉片焊接情況Fig.7 Welding of spiral blades

2)改善油脂注入量。為了增強螺旋機驅動的密封性，在原有的基礎上又分別在唇形密封前的迷宮密封處各增加2個HBW油脂注入孔，并從油脂泵連接管路到馬達分配器平均分配4個注脂孔，防止外部泥漿涌入對密封造成損傷，如圖8所示。

圖8 螺旋機油脂改造原理圖Fig.8 Principle of greasing modification

3)更換損壞部件。螺旋輸送機在工作中滑動銅套及筒體連接面有嚴重損壞且無法修復的，對其進行更換，提高密封性，消除隱患，避免對更換的新密封再次造成損害。

6 結論與討論

在盾構施工中，由于工況所限，防止螺旋輸送機過早損壞顯得尤為重要。如果在隧道內實施螺旋機葉片補焊等修復工作，勢必要耽誤大量的掘進時間，影響施工效率。因此，在盾構掘進中必須嚴格監控螺旋輸送機的磨損及運行狀況，密切關注地質條件的變化，及時調整掘進參數，做到“以防為主，防治結合”，避免因螺旋輸送機故障而造成整機癱瘓。

重慶地區施工經驗證明:通過驅動密封故障處理，對故障螺旋輸送機恢復正常運轉有良好的效果。它不僅提高了盾構機的掘進效率，也增加了螺旋輸送機的使用壽命。這種技術能有效地處理螺旋輸送機故障問題，可在將來盾構施工中合理運用，也為進一步研究螺旋輸送機故障處理與防護技術奠定了基礎。

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