盾構主驅動密封形式的對比與分析

(無錫中鐵城軌裝備制造有限公司，江蘇 無錫 214000)

城市地下空間的發展促進了隧道施工設備地發展，盾構應用越來越廣泛。盾構主驅動密封是保障驅動性能的關鍵因素之一，它的主要作用是防止隧道內沙土、地下水、改良添加劑等進入主驅動箱體內，保護驅動箱內部結構不被污染或破壞。不同結構形式的密封以及不同材質的密封直接影響密封的使用性能及使用壽命，從而影響盾構主驅動的使用壽命，也對隧道工程的掘進效率、經濟性能及安全性能等產生較大的影響[1]。

1 盾構主驅動密封形式及分類

盾構主驅動密封的設計應滿足在使用壽命范圍內保證密封唇口有良好的貼合性、旋轉運動時的動態密封性能以及較少的發熱和磨損。如圖1所示，密封的形式按截面形式可分為單唇口型（唇形密封）和多唇口型（指型密封）。按材質的不同可分為夾布橡膠密封、聚氨酯密封和丁腈橡膠密封。按在盾構上安裝的位置又可以分為內密封（在驅動環內圈使用）及外密封（在驅動環外圈使用）[2]。

圖1 指型密封與唇形密封實物及截面圖

2 盾構主驅動密封原理及對比分析

密封原理形式一般為壓力控制方式及流量控制方式兩種，不同形式或不同材質的密封產生的作用和效果也不同。采用壓力控制式密封，對密封油脂的消耗量較少一些，但由于設計結構的限制，實際工況中的壓力難以檢測，風險較大，一般需要在試驗臺上試驗較多次數。流量控制方式對油脂的消耗相對大一些，但是安全性能卻更高一些。實際使用工況中，主驅動中心角速度較低，在軟土或淤泥質地層中，當攪拌不夠充分時，土倉主驅動中心處易結泥餅，會導致油脂出口堵塞，各道密封處壓力會無限增大，最終導致油脂回流，密封產生側翻，進而失效。因此實際設計中，會根據實際地層的具體工況及要求而進行密封的針對性設計。

現今市場上盾構制造廠家使用的主驅動密封材質多為聚氨酯指型密封和丁腈橡膠唇形密封兩種。出于經濟性能的考慮，盾構主驅動密封原理多采用壓力控制式，具體如圖2、圖3 所示。

指型密封，材料為聚氨酯，盾構驅動上多用四指型密封，密封能力隨著指數的增加而增大。一般設計為持續注入EP2 黃油脂，注入的油脂壓力大于土倉壓力，同時油脂不斷往外擠送，以達到密封的效果。3 道4 指型的密封相當于12 道密閉的腔體，因而此種密封結構能有效地防止渣土進入主驅動軸承內部[2]。

圖2 指型密封原理圖

圖3 唇形密封原理圖

唇形密封，材料一般為丁腈橡膠，一般設計為靠近土倉第一道腔內注入HBW 黑油脂，阻擋土倉內渣土進入主軸承。同時需第二道腔內注入EP2 黃油脂，第三道腔注入齒輪油，最后一道腔體作為泄漏檢測腔，不注入任何物質。這種注入帶壓油脂并不斷往外擠送的密封方式可最大限度地保證驅動主軸承的清潔及安全。

通過對兩種不同形式的密封原理及結構分析，對比其主要優缺點為：①唇形密封承壓能力約為5bar 左右，而指型密封唇口較多，密封性能更高，承壓能力約為10bar；②唇形密封需要注入HBW、EP2 齒輪油等多種潤滑密封油脂，使用成本較高，而指型密封腔內只需注入EP2，使用成本較低；③指型密封唇口較多，接觸面積大，且聚氨酯材質相對于丁腈橡膠更硬，使用時長時間運轉會對密封跑道造成較大的磨損，同時會產生較大的熱量；④指型密封采用的材質聚氨酯耐高溫性能相對于唇形密封較差，需要冷卻水套降溫，冷卻不及時，長時間使用會造成密封溫度過高，加速密封的失效，當密封面溫度超過90°時，密封會迅速糊化失效；⑤由于結構簡單，唇形密封更便于洞內維護更換。

3 盾構主驅動密封的應用及失效模式

一般情況下，密封選用的首先要考慮工況條件，結合工況條件再選取合適的密封形式以及密封材質，同時考慮密封的安裝方式等。主驅動指型密封相對于唇形密封而言，更易磨損跑道，發熱量也大，但經濟性能較好，因此此種密封主要設計應用于國內以大扭矩、低轉速極軟土地層中掘進，如上海、蘇州等華東片區。目前，唇形密封的設計則相對更加成熟、性能可靠，在復合地層的應用則更為廣泛。

常見的主驅動密封失效模式分3 個階段：設計階段、制造階段以及使用階段。設計階段出現的密封失效一般為不合適的選材、不合理的結構、不合理的設計尺寸值等。制造階段出現的密封失效則主要為加工材料、加工工藝、加工本身的誤差等問題導致。使用階段出現的密封失效主要包括安裝或使用過程中的機械損傷、疲勞斷裂、高溫老化、清潔度不夠時的雜質侵蝕、潤滑不夠時的磨損等。

4 結語

隨著盾構在隧道工程施工的普及越來越廣泛，盾構研發及施工單位對盾構的功能不斷提出更多新的要求?？绾Ｋ淼?、大直徑隧道以及大埋深隧道對主驅動密封性能以及承壓能力等多方面的要求也越來越高。目前，國內主驅動密封件技術還不夠成熟，主要依靠進口，國內的研究還需要持續加大對盾構密封試驗裝備的投入，在密封件的材料上不斷優化和創新，爭取獲得結構性能可靠、產熱量低、耐磨性好、密封補償量大的密封。同時需要不斷優化密封結構形式，加強對油脂腔內外壓力以及油脂消耗量的檢測，增強對故障的預知能力，使施工更安全高效[3]。