TBM主軸承大齒圈洞內修復方案及工藝流程

劉宏志

摘 要：隧道掘進機（Tunnel Boring Machine，簡稱TBM）的工作過程中，主軸承的大齒圈和小齒輪相互嚙合，帶動刀盤轉動進行掘進。在中天山TB880E的掘進過程中遇到嚴重斷層破碎帶，小齒輪軸承散架、滾子脫落在齒輪箱內、主軸承大齒圈174個輪齒中損壞7個。工程過程中，修復大齒圈主要采用了分層堆焊與打磨修復相結合的方法。文中對TBM主軸承大齒圈修復技術及工藝流程進行了介紹，可對類似工程的施工提供借鑒和參考。

關鍵詞：TBM 大齒圈 分層堆焊 打磨修復

中圖分類號：TU455 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）02（c）-0112-02

隧道掘進機（Tunnel Boring Machine，簡稱TBM）多用于長隧道施工，而主軸承是掘進機的核心部件，它的作用是支承刀盤，給刀盤傳遞旋轉的動力，主軸承受隧道空間限制很難進行更換。如果主軸承損壞失效，隧道掘進機則陷入癱瘓，造成難以承受的后果。其中大齒圈是主軸承的關鍵部件，如果大齒圈出現故障，發生嚴重磨損或崩齒掉齒的現象，則無法繼續掘進，如何能在洞內將掘進機主軸承大齒圈進行修復，是一個非常有價值的課題。

1 機況

中天山特長隧道右線為南疆線吐庫段增建二線鐵路第二標段（SK2）主體工程，長22.467 km，為全線控制性工程。其中進口工區采用從德國wirth公司引進的φ8.8 m開敞式880E型TBM施工，此臺TBM已經歷過秦嶺隧道、磨溝嶺隧道施工，進場前累計施工了近10 km。2011年2月14日，中天山隧道TBM掘進9011.6 m時，遇到嚴重斷層破碎帶，TBM刀盤扭矩急劇加大，主驅動出現異響，緊急停機后經拆檢發現小齒輪軸承散架、滾子脫落在齒輪箱內、主軸承大齒圈174個輪齒中損壞7個（見圖1）。TBM無法正常掘進，需要停機進行修理。從國內外掘進機主軸承發生故障的案例來看，世界上還沒有掘進機主軸承大齒圈齒輪洞內修復的先例，沒有相關經驗可借鑒。

2 修復方案

對于主軸承的修復，由于作業空間受限的實際情況，激光熔敷和鑲齒的齒輪修復方法很難實現，故現場齒輪修復只能采用堆焊法。但主軸承的大齒圈和主軸承滾道是一體的，采用的材質為42CrMo4，可焊性較差。在焊接過程中，由于母材金屬中含碳量高，它的一部分要熔化到焊縫金屬中去，使焊層金屬含碳量增高。焊縫凝固結晶時，結晶溫度區間大，偏析傾向也較大，加之含硫雜質和氣孔的影響，容易在焊層金屬中引起熱裂紋，特別是在收尾處，裂紋更為敏感，需采用齒輪預熱的方法來實現，但由于掘進機主軸承大齒圈兩邊都有關鍵性的橡膠密封，預熱的方法很難實現。在該文所述的現場修復的焊接工藝過程中，在不損傷密封以及大齒圈上的齒不容易退火的情況下，最宜選用焊接溫度較低的仿激光焊機進行層層堆焊，然后再進行打磨的方法實施維修。

3 工藝流程

3.1 準備工作

維修所需工具：一臺激光焊機、進口焊條、拋光機、砂輪片、拋光片、探傷劑、棉布等。由于機器后端小齒輪隔艙孔徑較小，人鉆進去不能實施焊接工作，在咨詢了專家意見后，決定在1#小齒輪隔艙上方開一個430 mm×550 mm的長方形口以便有足夠的操作空間進行維修。開口前先要把1#主驅動小齒輪拔出來，由于要用割槍進行割口，必定會產生鐵渣，在開口位置正下方鋪好鐵皮，防止鐵渣損傷密封，開口完后一定要清理干凈。

3.2 焊接過程

首先，把齒表面的鐵屑、油泥清洗干凈，再對每個損壞齒進行探傷處理，如果探傷有裂紋，就要用切割片進行切割直到無裂紋為止，如果無裂紋就把損壞齒的表面用砂輪片拋平以便實施焊接工作。然后，焊接前需把損壞齒周圍用棉布防護到位，密封上面的棉布要用水管一直沖著，防止損傷密封。選用3種進口焊材進行焊接處理：打底層用焊接性能好、抗拉強度高的焊材，齒芯部采用未經熱處理的、硬度與齒芯部接近的焊材，主軸承大齒圈輪齒表面層用硬度和大齒圈齒輪熱處理后硬度接近的焊材，使修復后的齒性能接近于原來的齒。焊接過程要求電流控制在合適的范圍，防止產生氣孔咬邊等現象的發生，焊接采用層層堆焊的方法，把整個齒堆焊后開始打磨。首先是粗磨，粗磨之后進行探傷，如果發現裂紋，需把裂紋打磨掉重新焊接，如果無裂紋就進行精磨。精磨前需要制作三聯齒模具，并使用三聯齒模具來回比對直到完全修復到位。精磨完成后，說明選用焊材合適，焊接完成的效果也是比較令人滿意的。

通過上述方法，當把1#～7#齒都修復完成后，把受力齒面噴上紅色油漆，旋轉大齒圈一周觀察大齒圈齒的受力面嚙合情況，如果嚙合度達不到80%以上需要再精磨，如此反復直到全部嚙合都達到80%以上方可滿足要求。當確定齒精磨到位后，把1#小齒隔艙上方的蓋板重新焊接好，并對焊接好的蓋板做一下探傷，一定確保焊縫無裂紋，防止從焊縫處往主軸承內進粉塵和水。

3.3 焊后處理

焊接完成后，主軸承內部存在好多鐵屑、焊渣、油泥等臟污，需要對主軸承做全面清洗。首先從小齒每個隔艙用液壓油往下沖洗，沖洗完成后，往主軸承內加液壓油6桶，然后轉動刀盤1 h，清洗主軸承。清洗完后，把清洗油放出來，揭開主軸承油箱蓋，把油箱清洗干凈，并密封好。

3.4 恢復主驅動

把每個小齒隔艙再進行清洗干凈，安裝小齒輪。在裝小齒輪時一定小心齒和軸承避免損傷，然后依次對接傳動軸，裝主變速箱、聯軸器、離合器、離合器油缸、馬達等。把能夠恢復的7個主驅動恢復到位，液壓系統油路確保無誤，馬達的旋轉方向一致。

4 焊修效果

原來齒面硬度為HRC45～50，焊接完成后，經使用硬度儀測試硬度，焊接修復好的齒表面硬度也在HRC45～50范圍，與原齒表面硬度相吻合；掘進過程通過對掘進參數的控制，穩步推進。中天山隧道右線TBM在對主軸承大齒圈焊修后又掘進了3 465.1 m，直至掘進貫通，后經拆機觀察，焊接過的大齒圈齒無裂紋、無崩齒現象，說明這次焊接修復是成功的，同時也為同類機械故障提供了寶貴的經驗。

5 結語

該文采用大齒輪修復過程中，選取合適的作業位置，采用合理的焊接工藝和齒形修復方法，并選用科學的檢驗標準來驗收輪齒的修復質量，節約了采購一個新主軸承的成本，且不用更換主軸承，能在洞內進行現場修復，能使掘進機使用單位在最短的時間內恢復掘進，比更換主軸承的方法節約6個月左右的時間，在工期和經濟性方面效果明顯，具有重大意義。

參考文獻

[1] 杜彥良，徐明新.全斷面巖石隧道掘進機TBM維護保養與監測診斷[M].華中科技大學出版社，2013.

[2] 周賽群.全斷面硬巖掘進機（TBM）驅動系統的研究[D].浙江大學，2008.