全斷面隧道掘進機主軸承故障診斷研究

（中鐵隧道局集團有限公司設備分公司，廣東 廣州 511462）

隨著地下空間的開發及利用，以全斷面隧道掘進機為代表的地下空間施工方法得到了廣泛應用。主軸承作為全斷面隧道掘機關鍵零部件之一，如在設計、制造、安裝、使用時存在問題，就會引起軸承內部損壞，需停機進行故障處理。受隧道內空間限制，更換耗時長，給工程安全、工期、成本帶來諸多不可控。國內、外對標準的軸承故障診斷研究較多，但針對全斷面隧道掘進機主軸承施工現場的故障診斷研究較少，因此對全斷面隧道掘機主軸承的結構原理、故障診斷方法及故障原因研究尤為重要。

1 主軸承安裝位置及結構原理

圖1 盾構主機驅動結構

以中鐵工程裝備設計的全斷面隧道掘進機主軸承安裝位置為例，主機驅動結構見圖1，驅動單元以液壓或主電機提供動力源，主軸承承擔支撐機械旋轉體，外圈作為雙半套圈組合結構，依靠內六角螺栓連接機架，內圈則是大齒圈，刀盤與刀盤連接體依托高強度的螺栓進行連接，主驅動運用減速箱驅動小齒輪運行，小齒輪與大齒圈帶動刀盤運動，在軸承的前方設計有內外密封，以阻擋外來污染物。

以SKF 公司、洛陽軸承集團有限公司制造的主軸承為例（圖2），由3 列圓柱滾子、保持架、內圈、外圈組成，圓柱滾子又可分為主推力、反推力和徑向滾子三種形式；徑向滾子承載著徑向力，反推滾子則承載反推力和傾覆力矩，主推力滾子則承載著刀盤推進力和刀盤自重琪的傾覆力矩，盾構主軸承承載的最大力是軸向力。

圖2 盾構主軸承結構

2 失效型式

通過對中鐵工程裝備（WIRTH）、中鐵建、海瑞克、羅賓斯公司生產的全斷面隧道掘進機100 臺主軸承全壽命周期跟蹤，對失效的主軸承進行拆解，失效型式主要有：壓痕、擦傷、劃傷、銹蝕、磨粒磨損等，主軸承失效型式見圖3。

圖3 主軸承失效型式

通過分析失效的主要原因如下。

1）壓痕：軸承內部零部件在運動時，由于接觸面咬入了金屬剝塊、污染顆粒，受大推力擠壓，在兩接觸面上產生凹痕。

2）擦傷：添加了黏度較高或較低的潤滑油、水冷卻器損壞大量水進入主軸承內部，使零部件之間形成干摩擦，出現擦傷。

3）劃傷：主軸承滾子崩裂形成鋒利的刀刃狀，滾子運動時在滾道形成劃痕。

4）磨粒磨損：由于密封損壞，刀盤前面的砂粒經密封進入軸承內部，從而引起主軸承零部件磨粒磨損。

5）銹蝕：由于設備長時間不運轉，以及在存放時潤滑油中進入大量水分，潤滑油中添加劑與水發生氧化反應，從而引起零部件銹蝕。

3 故障診斷方法

目前，主軸承的檢測方法主要有：油品檢測、振動測試、掘進機掘進參數變化分析、外密封出脂情況檢查、電渦流測試、內窺鏡觀察、密封保壓、油位變化觀察等，主軸承故障檢測方法對比見表1。

通過以上故障診斷方法對比，在對主軸承進行故障診斷時，采用單一的故障診斷方法并不可取，需結合多種診斷方法，才能精準判斷故障發生部位及原因。

4 主軸承故障案例

4.1 工程概況

廣州獅子洋隧道工程是廣深港鐵路客運專線控制性工程，隧道工程全長10.8km，設計時速350km，是我國首座水下鐵路隧道工程，該工程左線采用全斷面隧道掘進機施工。

4.2 設備參數

刀盤開挖最大直徑11.18m，總長71m，主機長12.43m，總重約1 300t，刀盤開口率31%，由8 臺250kW 主電機驅動，額定扭矩5 250kNm，脫困扭矩17 745kNm，主軸承設計壽命10 000h。

表1 主軸承故障檢測方法對比

4.3 故障現象

2009 年10 月12 日，通過對左線主軸承潤滑油檢測發現：油中水分含量＞0.1%，出現乳化，對主軸承作了連續跟蹤監測，油品理化指標檢測結果見表2。

通過檢測發現：主軸承在2009 年11 月19日至2010 年2 月29 日由于密封異常磨損，大量的油脂進入到軸承內部，引起黏度升高，最高達910.5cst，先后進行了三次換油處理。

為尋找診斷故障規律，對2009 年7 月23 日至2010 年7 月20 日油品進行了監測，油品理化指標、光譜、鐵譜檢測結果見表3。

通過加大主軸承密封進脂量后，油品的黏度最高達3681cst，鐵、銅、硅元素有所下降，鐵譜中的磨損狀態變化不大，但水分的進入引起酸值的變化，需進行油品更處理。通過對比發現，在每次進行換油后，只要改善主軸承潤滑狀態，運動部件的磨損狀態會有周期性改觀。

采取措施：當油品理化指標超標后，進行油品更換以改善主軸承內部的磨損，主司機操作時根據主軸承油品變化情況選擇合適掘進參數，同時加大注脂量，以擋住從刀盤前進入主軸承內的石渣。

由于該機的主軸承故障診斷方法得當，處理及時，該工程于2011 年3 月12 日按計劃順利貫通。事后在洛陽軸承廠對該機的主軸承進行了拆解，發現主軸承內、外密封損壞，與密封接觸端面磨損6～10mm，主軸承滾道、滾子及保持架存在嚴重的異常剝塊及磨損，與運轉時故障診斷結果一致。

5 結論與建議

表2 盾構主軸承潤滑油油品理化指標檢測一覽表

1）主軸承失效型式與設備制造、安裝、使用好壞存在關系，只有控制好各個環節才能保障設備的正常工作。

2）單一的故障診斷方法作用有限，應采取多種診斷方法才能準確找到故障發生部位及原因。

3）主軸承在使用過程中，應定期進行狀態監測，如有條件可進行在線監測，出現問題后及時處理，可提高故障診斷率。

4）建議主軸承廠家在設計主軸承時留專門的觀察孔，以便對內部結構磨損觀察。

5）主軸承故障診斷基于物聯網、5G 技術應用，是未來監測技術的發展方向。

表3 油品理化指標、光譜、鐵譜檢測一覽表