某盾構主驅動密封系統失效原因分析

姚 平/ YAO Ping

（中億豐建設集團股份有限公司，江蘇 蘇州 215131）

1 事件概況

廣州市軌道交通某標段，盾構在掘進過程中發現主驅動齒輪箱內存在異響，通過檢查，確定主驅動密封系統已經失效，有細沙、水、密封系統注入的HBW、EP2 油脂一起反流進齒輪箱，當主驅動大齒圈和小齒輪嚙合時對細沙進行擠壓造成了異響。進過緊急處理，盾構最后順利貫通隧道。

2 主驅動的改造使用情況

本工程所使用的盾構是一臺經過維修再制造的舊設備，主驅動的結構如圖1 所示，主驅動在正常工作狀態下，外密封系統是不旋轉的，而內密封系統是旋轉的；相對的，外密封系統接觸面是旋轉的，而內密封接觸面是不旋轉的，內外密封兩者剛好相反。

圖1 主驅動結構剖面圖

在維修再制造的過程中，對主驅動進行了全面的維修翻新，更換了內外密封系統的所有唇形密封件，修復了的密封接觸面的溝痕，并對密封壓環進行了局部改造，原密封系統的結構形式如圖2所示，改造后的密封系統結構形式如圖3 所示。

圖2 原密封系統結構形式

通過查詢主驅動原始圖紙，確定了密封系統的工作間隙為5mm，所以，唇形密封要起到密封作用，安裝后的密封唇突出密封壓環的尺寸必須大于5mm。對比圖2 和圖3，可知密封系統的改造內容如下。

圖3 改造后密封系統結構形式

1）采用了新的唇形密封，新的唇形密封與原來的唇形密封相比，截面尺寸增大，唇口厚度增加，弧度增大，唇口根部與密封支座間的位置關系也由原來的存在間隙變為緊貼。

2）在每道密封壓與唇形密封相對的位置加工了一個倒角，目的是為了讓尺寸較大的新密封有更大的空間可以充分張開。

3 主驅動拆解檢查

3.1 外密封系統檢查結果

將主驅動拆卸后對外密封系統的唇形密封進行測量，如圖4 所示。

圖4 外密封突出密封壓環尺寸

測量結果顯示，外密封系統不同位置的唇形密封突出密封壓環的尺寸并不相同，以主驅動正常工作的安裝位置來說，在其12 點鐘方向平均尺寸為9mm，3 點鐘和9 點鐘方向平均尺寸為6mm，6 點鐘方向平均尺寸為4mm，6 點鐘方向的密封與密封接觸面存在縫隙，無法保壓，也無法阻止前方沙土和水的進入。測量結果顯示外密封有3/4 范圍的尺寸都超過了5mm，但是由于“木桶效應”，所以實際上外密封無法起到密封作用。

3.2 內密封系統檢查結果

主驅動對拆卸后對內密封系統的唇形密封進行測量，如圖5 所示，實際測量后，發現內密封系統圓周內幾乎所有位置的唇形密封突出密封壓環的尺寸均為4mm，與密封接觸面存在縫隙，無法保壓，也無法阻止前方沙土和水的進入。所以實際上內密封系統沒有起到密封作用。

圖5 內密封突出密封壓環尺寸

3.3 外密封接觸面磨損情況

外密封接觸面的磨損情況如圖6 所示，圓周各處磨損量基本一致，深度在1～2mm 之間。

圖6 外密封接觸面磨損情況

3.4 內密封接觸面磨損情況

內密封接觸面的磨損情況如圖7 所示，12 點方向的密封接觸面磨損情況較為嚴重，溝痕深度在2～3mm 之間，而6 點鐘方向的密封接觸面磨損情況較輕，僅見輕微溝痕，并且每道溝痕的深度并不一致，表面還有大量銹跡。

圖7 內密封接觸面磨損情況

3.5 油脂分布情況

密封系統內油脂分布情況如圖8 所示，很明顯的可以看到，不論是外密封還是內密封，黃色的EP2 油脂聚集在注脂孔附近，并且呈軸向分布，并沒有填充成環，其余位置為黑色的油脂，證實相鄰的兩道密封之間沒有形成密封效果。

圖8 密封油脂分布情況

4 原因分析

4.1 外密封系統失效原因分析

根據外密封的尺寸測量情況和外密封接觸面的磨損情況進行分析，密封失效的原因應該是唇形密封在安裝過程中局部壓縮過量造成的。

常規的唇形密封在制作時時會讓唇形密封的外圈入密封槽后，軸承上唇形密封才會獲得正確的徑向壓縮角度。為了密封在密封槽里能夠盡可能的均勻分布，應該在最少3 個點位同時將密封推入密封槽內，如圖9 所示，接下來，要將密封圈的剩余部分盡可能的同時擠入密封槽內到達終點位置。為了確保整個密封的外表面與密封槽的基面相接觸，可以利用鈍器將密封推入正確的位置，整個圓周都要進行這一步驟，如圖10 所示。按照上述正確的安裝步驟，才能夠獲得正確的安裝效果，而失效事件中的主驅動密封顯然沒有進行多點推進，造成了局部的壓縮過量，唇口徑向角度不一致，導致唇口內徑不均，沒有起到密封效果。

圖9 唇形密封多點安裝示意圖

圖10 唇形密封推入示意圖

4.2 內密封系統失效原因分析

根據內密封的尺寸測量情況進行分析，唇形密封突出密封壓環尺寸不足5mm 的原因應該是新唇形密封與舊密封壓環的楔形突起不匹配造成的。

楔形突起的作用主要有兩個，一個作用是防止唇口在高工作壓力下翻轉，另一個作用是增加密封在高工作壓力下的穩定性，延長壽命。但前提是密封支座不能影響唇形密封的密封性能，因此與密封唇口根部是存在著間隙的，目的是不限制唇形密封的張開變形。顯然新的唇形密封安裝后的徑向壓縮角度受到了密封支座的限制，導致無法正確展開，造成了唇口內徑尺寸的變小，沒有起到密封效果。但是如果唇形密封突出密封壓環尺寸在整個周全均不足5mm 的話，密封唇口與密封接觸面并不接觸，不應該對密封接觸面造成磨損才對?？蓪嶋H上內密封接觸面存在著磨損，且磨損后的溝槽12 點方向的深度還大于外密封接觸面的溝槽深度，而6 點鐘方向的磨損量很小且有大量銹跡。

對于上述問題，初步懷疑是內密封接觸面所在的鋼結構件出現了變形導致的，整個內密封接觸面形成的圓柱體出現“抬頭”，前端底部（6 點鐘方向）存在較大間隙，水和細沙更容易進入聚集，因此出現底部磨損較小且磨損程度不一致的情況，這也是未磨損的地方出現大面積銹跡的原因。同時造成前端頂部（12 點鐘方向）的間隙變小，因此出現了密封接觸面磨損量較大的情況。為了驗證，將拆解后的內密封接觸面結構件水平放置在立式車床上，利用百分表測量內密封接觸面的圓柱度，發現確實存著最大2.5mm 的變形量。鋼結構件變形的原因有：①維修前就已經受撞擊變形；②維修過程中因焊接引起的熱變形；③本次掘進過程中受撞擊變形。由于沒有當初維修后的檢測記錄，已經無從查起。

可見，新密封與舊密封壓環的楔形突起不匹配和內密封接觸面所在結構件的變形是導致內密封系統失效的主要原因。

5 總結和建議

盾構主驅動密封系統失效的原因是多方面的，本文中的案例涉及到原因的比較少見，第一個主要原因是新密封的廠家對原密封系統的結構尺寸沒有充分理解，因此提供配套的新唇形密封與舊密封壓環不匹配，造成密封失效。第二個主要原因是安裝工人在唇形密封的安裝過程中沒有按照正確的安裝工藝進行安裝，導致密封系統沒有起到密封效果。更重要的是設備在出廠的時候沒有進行的密封效果檢測，所以沒有發現密封系統存在問題，導致了存在問題的主驅動運輸到現場，進行帶病工作。多種因素造成了設備在掘進過程中密封系統的失效，好在經過緊急處理，盾構最后順利貫穿通道，沒有造成嚴重后果。

主驅動是盾構的關鍵核心部件，主驅動能夠正常工作是盾構能夠正常工作的基本保證，而出廠前進行密封效果檢測是保證主驅動能夠正常工作，提前檢測才能防患于未然。

綜上，經過再制造維修的盾構，所有的再制造部件都應嚴格遵守正確的生產工藝和安裝工藝，并在出廠之前進行各種必要檢測，嚴格的檢測是產品質量的保證。