盾構機主驅動密封維修改造關鍵技術的思考

馬鶴

（中國鐵建重工集團有限公司，湖南 長沙 410100）

對于盾構機來說，主驅動系統是以“心臟”的地位而存在，而主驅動的密封便是心臟外的一層保護膜。在盾構機掘進的過程中，主驅動密封不能夠在洞室中進行更換，如若由于密封損壞或者間隙過大等原因，使泥沙顆粒或者齒輪油等侵入到齒輪箱當中，導致主軸承損壞，將會引起整個盾構機的癱瘓，為盾構工程帶來經濟損失。

1 主驅動密封的設計

1.1 出廠設計

在當前國內市場中，雖然盾構機的品牌多種多樣，但是主驅動密封的形式卻十分相似，在結構設計方面應保障密封唇口具有較強的跟隨性，與旋轉軸之間始終處于最理想的角度。在確保密封效果的基礎上，使各個密封件之間的接觸面積盡量變小，控制摩擦發熱和對唇口產生的磨損，使其能夠與壓力工況相符合。對盾構機主密封進行的設計主要分為內周密封和外周密封兩周，內周密封由唇形密封實現，外周密封由VD密封實現，其中唇形密封能夠實現靜、動、自密封作用，韌性良好。而VD密封是將V形的一側唇部加厚處理而成，活動性較強，能夠彌補較大的公差和角度差，具體的出廠設計圖如圖1所示。

圖1 主驅動出廠密封設計示意圖

1.2 工作原理

在兩道密封中間注入EP0潤滑油，外周的設計注入量約為20mL/min，內周每腔的注入量約為16mL/min，盾構機在掘進時累計消耗量約為2000mL/min。VD密封能夠促進潤滑油產生壓力，當壓力超出界定范圍時會發生外泄，同時還能夠有效防止潤滑油回流現象。在油脂注入到設備中后，潤滑油會被擠進壓板與土倉隔板當中，防止泥沙進入到密封內部，極大的提升了密封性。

2 盾構機主驅動密封存在的問題

2.1 VD密封斷裂實效

VD密封中可能會出現斷裂現象，通常出現斷裂現象的主要原因在于安裝時使用的膠粘強度不足，粘接不夠均勻，而密封與襯套在相對旋轉的過程中，襯套產生切向拉伸力，如若局部粘接強度較弱，則會在拉伸的作用下逐步開裂，然后在應力集中的作用下，產生密封斷裂問題。因此，在驅動密封的過程中，應保障粘接強度的均勻性，防止密封材料發生應力集中。VD密封在發生斷裂之后，腔體內的潤滑油將會涌出，導致軸承箱泄漏。同時，由于密封背部壓力喪失，在前端土壓力的作用之下導致泥沙進入其中，使密封產生嚴重的磨損，導致失效。

2.2 唇形密封磨損

當盾構機發生故障時，將主驅動解體之后能夠看到密封唇口處有非正常的磨損現象，尤其是外側密封處，由于能夠與泥沙進行直接接觸，因此受磨損程度更高。在機器正常運行的過程中，刀盤的轉速n為1.4r/min，外周密封線速度V為2πrn/60，也就是0.23m/s，溫度大約在50℃，加之得不到潤滑油的有效供給，因此十分容易產生磨損問題，長期以往，甚至會導致盾構機癱瘓的后果發生。

2.3 密封襯套磨損

根據相關設計要求，密封唇口的壓縮量為7mm時，才能夠保障密封性處于最佳狀態。隨著盾構機應用時間的不斷增加，密封唇口與襯套之間相互運動摩擦，長此以往，在襯套的四周會產生一道4mm左右的凹槽，并且在襯套與VD密封的相交處也會產生一定程度的磨損。這些磨損印記的存在對唇口密封性能產生較大的不利影響，并且隨著使用時間的延長，磨損現象愈演愈烈，即便中間有潤滑油的填充，但是當磨損達到一定界限時，磨損量遠遠超過壓縮量，這將使得潤滑油的作用難以抵抗壓力，使外部泥沙混入其中，對主驅動軸承、齒輪、保持架等造成不同程度的損壞。如若不將存在的凹槽徹底消除，即便是使用新的密封，在凹槽仍然存在的狀態下，唇口與襯套也很難實現密切配合，對密封效果依然會產生不利影響。

3 主驅動密封的改造方案

通過對上述內容的分析可知，在主驅動密封中通常會由于VD密封磨損、斷裂、襯套磨損等問題對機器的正常運行產生不利影響，對此，應對三道VD的密封材質和密封形式進行有效的改進，以此來防止上述問題的發生。

3.1 VD密封材質的改進

由于三道VD密封與齒輪之間的距離較近，當主驅動在運行過程中的溫度提升到60℃時，密封容易產生粘接強度下降而開膠現象。對此，應選擇耐高溫的復合型材料。具體的改造方式為：將內周、外周的VD密封材料全部轉變成含氟量較高的合成橡膠。這種橡膠具有耐高溫、耐腐蝕等特征，其與其他橡膠相比來看在很多方面占有明顯優勢，具體如表1所示。

表1 各種橡膠特性表

3.2 VD密封形式的改進

由于粘接強度較弱、局部受力不平均等，導致密封斷裂問題產生，在對此方面問題的改進過程中，將以往傳統的膠粘法進行轉變，以壓板法的方式替代。根據相關文獻可知，不管是盾構機的密封粘接還是摩擦焊，其縱向軸壓都能夠促進相關部件對滑動的抵抗。在主驅動密封中，在其弧度的安裝面上分別安裝壓板，將以往傳統的VD密封剔除，安裝具有壓接邊緣的VD密封，使其在安裝過后能夠展現出一個閉合的環形形狀，在接縫處用螺栓固定好。具體的改進方式為：

（1）對原扭腿處進行立車加工，依據相關設計進行鉆孔和套絲，在此基礎上對壓板的半徑弧度進行加工和鉆孔。

（2）在VD密封安裝面上涂滿膠粘劑，避免潤滑油從縫隙處產生回流。

（3）保障螺栓的數量和強度，在安裝時要注意用力的大小，避免由于受力不均而產生扭曲或者變形。

（4）當螺栓被固定完畢以后，將壓板點與螺栓的頂部焊接在一起，保障螺栓不會在運行中脫落。在焊接的過程中，應注意不要將焊渣崩落到密封當中，對整體密封效果產生不良影響。為了防止上述現象發生，可以在焊接之前將密封用防火布包好，避免與焊渣相接觸。

上述密封改進方案的同時還應注意如密封裝配處加工表面的粗糙度、清潔度及裝配面的銳邊、銳角等因素都將對密封性能與密封件的壽命產生較大影響。

4 結語

通過上述對盾構機主驅動密封的研究能夠得知，在VD密封材質上，將以往丁晴轉變為含氟的合成橡膠，將會使密封與外殼變得更加可靠。在密封形式上，將以往膠粘法轉變為壓板法，將能夠使密封改造技術與預計效果更近一步。

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