盾構機主驅動超大聚氨酯密封圈的研制及工程應用

何其平，徐 進

（1.中國鐵建重工集團有限公司，湖南 長沙 410100；2.北京建科匯峰科技有限公司，北京 101105）

隨著我國國力的日益強大，城市軌道交通進入了高速發展階段。2020年，我國地鐵運營總里程達到6 302.79 km，并以每年15%～20%的速度遞增。盾構機作為一種隧道掘進的專用工程機械，在隧道施工過程中可有效控制地面沉降和減少施工對地面建筑的影響，尤其適合在隧道較長、埋深較大的情況下使用，既經濟又安全[1]。據統計：2020年中國盾構機產量約為461臺；2021年地鐵建設用盾構機的需求量約為563臺，按照4 000萬元·臺-1的價格估算，為年實現產值225億元。

作為動力來源的主驅動系統是盾構機的核心組成部分，維護較為困難，因此需要更高的質量穩定性以降低維修頻率和延長使用壽命[2]。在盾構機主驅動系統中，主驅動超大密封圈（簡稱密封圈）起到了至關重要的作用。完整可靠的主驅動密封圈一方面給主驅動軸承提供了良好的運轉環境；另一方面，帶有一定壓力的潤滑油脂向盾構機土倉側強制擠出，可以有效地防止土倉內的泥砂進入主驅動系統內部而造成部件的磨損失效[3]。盾構機在地下掘進施工過程中，主驅動密封圈無法在隧道洞室內進行更換[4]，如果出現密封圈損壞或因磨損而間隙過大等問題，會造成主軸承齒輪油泄漏或泥砂顆粒進入齒輪箱，引起主軸承或齒輪損壞，導致盾構機癱瘓，給盾構工程造成不可估量的經濟損失及給施工人員帶來非常嚴重的安全問題。因此，主驅動密封圈的結構和性能是影響盾構機使用壽命的重要因素。

盾構機在實際應用過程中工況環境復雜，其主驅動密封圈目前面臨的主要問題包括：（1）由于渣土含砂量高、密封承受的水土壓力高等苛刻條件，導致其密封性能不佳，使用壽命較短；（2）由于密封結構、安裝方式及配套結構不合理，導致其密封性能不佳；（3）由于材料的性能限制，導致其密封耐高壓能力不足；（4）由于尺寸較大，對成型模具要求較高，其生產過程較為復雜。因此，盾構機主驅動密封圈應滿足耐水、耐磨、耐霉菌、耐油脂、強度高、壓縮變形小等性能要求，故而該密封圈的結構設計、材質選擇和性能提升研究引起了廣泛關注。

聚氨酯（PU）由異氰酸酯和羥基化合物聚合而成，由于含強極性的氨基甲酸酯基，不溶于非極性溶劑，因此PU密封件的耐磨、耐高壓、耐老化和耐油等性能遠優于其他彈性體密封件[4-9]，在一定的工作壓力和溫度范圍內，不僅具有良好的密封性能，而且隨著密封壓力的增大還能自動調節密封性能。

本工作從結構仿真、材料選擇、生產設備和工藝、產品評價系統以及實際應用驗證等方面對盾構機主驅動超大PU密封圈（簡稱PU密封圈）進行研究。

1 結構設計

1.1 工作原理

目前國外盾構機的主軸承密封圈均采用骨架式唇形密封圈，常見的唇形密封圈有單唇形密封圈、帶壓緊環唇形密封圈和多唇形密封圈[10]（結構如圖1所示）。唇形密封圈的工作面為唇口，在壓力的作用下，唇口與密封面緊密貼合；與擠壓型密封圈相比，唇形密封圈具有更強的自緊作用，且壓緊環的使用進一步加強了其自緊效果。密封圈的結構設計要保證密封唇口有較好的跟隨性，使其與旋轉軸有最佳的接觸角度，在保證密封效果的同時減小唇口的動接觸面積，最大程度地降低摩擦發熱和減小唇口磨損，使密封圈能較好地適用于各種壓力工況[11-12]。

圖1 常見的唇形密封圈結構示意Fig.1 Schematic of common lip-shaped sealing ring structures

1.2 邊界條件設定

在制備盾構機主驅動密封圈之前，可利用有限元分析和多參數模擬技術，通過優化和聯合各項參數，使密封圈達到更高標準，避免其引發事故[13-15]。

本工作模型為多唇形（四唇形）PU密封圈，利用有限元分析軟件Ansys對其進行分析，研究外界壓力（P1）、內部壓力（P2）、壓縮量以及旋轉線速度下密封圈唇口與殼體的接觸形式、各個部位的形變和應力分布等，為盾構機用PU密封圈的設計提供參考。

1.3 仿真分析

四唇形PU密封圈的安裝示意見圖2。使用介質為油脂、泥水和砂石等，被密封面為金屬殼體。

圖2 四唇形PU密封圈的安裝示意Fig.2 Intallation diagram of four lip-shaped PU sealing ring

在溫度為常溫，P2為0 MPa，旋轉線速度為100 m·min-1，P1分別為0.5，1.0，1.5，2.0和2.5 MPa時，PU密封圈的4唇與殼體緊密貼合，唇形部位變形最大。

四唇形PU密封圈的應力和應變分布分別如圖3和4所示（P1為2.5 MPa）。

圖3 四唇形PU密封圈應力分布云圖Fig.3 Stress nephogram of four lip-shaped PU sealing ring

圖4 四唇形PU密封圈應變分布云圖Fig.4 Strain nephogram of four lip-shaped PU sealing ring

從圖3可以看出，四唇形PU密封圈的最大接觸應力位于第2唇壓第3唇處。

根據有限元分析結果，對四唇形密封圈的結構優化提出建議：PU密封圈的第4唇與密封圈壓環接觸，當P1較大且動態變化時，壓環對密封圈的第4唇可造成戳傷，因此應將壓環設計為圓角。

2 PU彈性體制備

2.1 主要原材料

聚醚多元醇，牌號PG-010，日本三菱化學公司產品；聚己內酯多元醇，牌號PD-01，日本大賽璐公司產品；己二酸聚酯多元醇，牌號PBA-110，華大化學集團有限公司產品；甲苯二異氰酸酯（TDI）、二苯甲烷二異氰酸酯（MDI）和異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI），煙臺萬華聚氨酯股份有限公司產品。

2.2 主要設備和儀器

混合反應釜、分子混合型澆注機、接口機、測厚儀、邵氏硬度計、萬能拉力試驗機、沖擊回彈儀、阿克隆磨耗儀和老化試驗箱。

2.3 預聚物合成

在裝有溫度計、攪拌器和真空尾接管的反應釜中加入多元醇，在溫度為100～120 ℃和壓力為－0.096 MPa下體系脫水1～1.5 h后降溫至50℃以下并加入二異氰酸酯，在氮氣保護下于溫度80～85 ℃下反應4 h，測量異氰酸酯基（—NCO）質量分數。在—NCO質量分數達到理論值后，體系真空脫氣泡并降溫密封，得到預聚物。

2.4 彈性體固化成型

將預聚物和擴鏈劑分別加入澆注機的A料罐和B料罐中。當A料罐和B料罐的溫度達到設定溫度后打循環20～30 min，并按照計量比對A組分和B組分進行標定，達到計量比后即可將在機頭混合均勻的料澆注到模具中，常溫固化4 h后在100 ℃烘箱中熟化12 h后，得到試樣。

2.5 結果與討論

2.5.1 二異氰酸酯選擇

以聚醚多元醇和二異氰酸酯為原料，制備—NCO質量分數為6.5%的預聚物，后經擴鏈劑擴鏈合成PU彈性體。

不同二異氰酸酯的PU彈性體物理性能如表1所示。

表1 不同二異氰酸酯的PU彈性體的物理性能Tab.1 Physical properties of PU elastomers with different diisocyanates

從表1可以看出，二異氰酸酯對PU彈性體的物理性能有較大影響。在預聚物—NCO質量分數相同的情況下，TDI基彈性體的硬度最大，拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度略小于MDI基彈性體，原因是TDI與其擴鏈劑二鄰氯二苯胺甲烷（MOCA）相互作用，MOCA分子中含有的兩個苯環和氨基與異氰酸酯基反應形成脲基，脲基可形成雙氫鍵，從而賦予彈性體較大的硬度和剛性；IPDI分子為不對稱的脂環族結構且兩個—NCO的活性相差較大，導致其綜合性能均較差；MDI基彈性體的擴鏈劑為1，4-丁二醇，其分子中不含苯環，且羥基與—NCO反應形成的氨基甲酸酯基僅形成單氫鍵，而MDI結構中含有對稱的雙苯環，其硬段易于聚集并產生一定程度的微相分離，因此MDI基彈性體的拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度均大于TDI彈性體，表現出較好的綜合性能。

2.5.2 多元醇選擇

MDI和不同多元醇合成的PU彈性體的物理性能如表2所示。

從表2可以看出：PG-010基彈性體的硬度和撕裂強度最小，這是由于聚醚多元醇結構中醚氧基的極性低于酯基，結構柔順性較好所致；PD-01和PBA-110結晶性較強，其彈性體的硬度和撕裂強度均大于PG-010基彈性體，且PD-01和PBA-110基彈性體的拉伸強度相近；PG-010和PD-01基彈性體的壓縮永久變形小于PBA-110基彈性體是由于聚醚多元醇和聚己內酯多元醇分子鏈的柔順性和彈性較好；PG-010基彈性體的阿克隆磨耗量略大于其他兩種多元醇基彈性體是由于醚氧基的極性和內聚力較酯基低所致。

表2 不同多元醇的PU彈性體的物理性能Tab.2 Physical properties of PU elastomers with different polyols

PU彈性體的耐介質性能主要取決于多元醇。不同多元醇合成的PU彈性體在70 ℃水中浸泡不同時間的性能變化如圖5所示。

圖5 PU彈性體在70 ℃水中浸泡不同時間的性能變化Fig.5 Property variation of PU elastomers soaking in 70 ℃ water for different time

從圖5可以看出：PG-010基彈性體的吸水率和撕裂強度保持率最大，拉伸強度保持率與PD-01基彈性體相當，說明其耐水性最好；其硬度保持率小于PD-01基彈性體是由于醚基的吸水率高于酯基，所吸收的水分起到增塑劑的作用。

從工藝角度考慮，PD-01和PBA-110合成的預聚物粘度較大，澆注時物料流動性差，凝膠時間短，工藝性能較差；而PG-010合成的預聚物粘度較低，釜中壽命長，工藝性能好。因此，制備盾構機主驅動密封圈PU彈性體的多元醇首選PG-010。

無論是從生產工藝還是從盾構機使用工況的適用性來講，選擇PG-010與MDI合成的PU彈性體制備主驅動密封圈較為適合。

3 生產設備和工藝的改進

在盾構機主驅動PU密封圈的成型過程中，濕氣和車間的粉塵會使密封圈的表面形成氣泡、針孔和凹坑等缺陷，針對此類問題提出改進措施如下。

（1）對盾構機主驅動PU密封圈超凈生產車間進行改造，確保生產環境的潔凈和恒溫恒濕，使生產車間潔凈度達到10萬級。

（2）使用具有高精度分子混合型澆注機和具有溫度自補償功能的連續硫化機，配備高精度溫度、時間、速度控制系統，將自動計量澆注工藝、連續硫化工藝、整體成型工藝、恒溫補償工藝和精控模具尺寸形成有機結合，形成了一整套工藝可控的PU密封圈連續化生產線，所得產品基本無外觀缺陷，產品質量、尺寸精度和綜合性能得到明顯提高。將本研制盾構機主驅動PU密封圈與兩款進口同規格密封圈進行比較（見表3）可以看出，本研制PU密封圈的性能均達到或超過進口密封圈水平，可完全滿足盾構機的使用要求。

表3 盾構機主驅動密封圈的性能比較Tab.3 Property comparison of main drive sealing rings of shield machine

（3）為評價盾構機主驅動PU密封圈的使用性能，自制了近工況模擬檢測平臺以評測密封圈動/靜態的最大承壓能力和背部開啟能力及磨損情況，利用壓縮疲勞測試機對連續硫化重點部位進行測試，得出主驅動PU密封圈產品常規疲勞壽命為90萬次。

通過上述一系列的產品設計、制備、評價和應用驗證，形成了具有國際先進水平的盾構機PU密封圈連續硫化生產技術。

4 工程應用

為檢驗盾構機主驅動PU密封圈在實際工程中的應用性能，將本研制PU密封圈首先應用于蘭州地鐵穿越黃河泥水盾構施工工程[見圖6（a）]，PU密封圈顯示了良好的密封、耐水和耐磨性能，克服了工作面鵝卵石含量大、砂石粒徑大、強度高及含水量大的問題。目前，本研制PU密封圈已廣泛應用于國內隧道工程施工[見圖6（b）]。

圖6 實際工程應用的盾構機主驅動PU密封圈Fig.6 Main drive PU sealing rings of shield machines for practical engineering application

5 結論

（1）通過有限元仿真技術，對盾構機主驅動PU密封圈的結構設計進行了優化。

（2）研究了主要原材料對PU彈性體性能的影響。

（3）通過對超凈生產車間的改造、連續化生產設備和工藝配套、產品評測平臺建立，使盾構機主驅動PU密封圈的產品性能、尺寸和質量得到嚴格把控。本研制PU密封圈在蘭州地鐵穿越黃河泥水盾構施工和國內其他隧道工程施工中均獲得良好的應用效果。