盾构机主轴承密封跑道形式研究

王小军

摘 要：盾构机主驱动密封跑道是一种精密机械加工件，直径大，薄壁，与橡胶密封件长期滑动摩擦，在隧洞内无法进行更换维修，其性能的可靠程度直接决定了整个盾构机的可靠性。本文重点论述密封跑道的性能提升方法，随着我国表面处理技术的进步，密封跑道的性能得以提升，成本并未提高，具有大规模推广应用的基础。

关键词：摩擦失效；高耐磨；表面处理技术；再制造

中图分类号：U455.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）05-0076-01

1 引言

盾构机广泛应用于城市地铁、引水隧洞、电力管廊等领域的开挖施工，主驱动装置是其核心部件。其中主驱密封提供对主轴承的保护，维持轴承腔的清洁，如何提高主驱密封的寿命和可靠性，是保障整个驱动性能稳定的重要一环。盾构机主驱动形式分为中央驱动和中心驱动两种。因中央驱动传递扭矩大，刀盘多点支撑受力均匀，土舱内土体搅拌效果好，直径大于6m的地铁施工盾构机广泛采用此种驱动形式，而中心驱动一般仅适用于直径在4m以下的小型盾构机，本文着重探讨中央驱动的密封跑道形式。

密封跑道的表面要求光滑，与密封唇口直接接触，一般要保持将密封唇口压紧5mm，在两道密封之间形成的空腔里不断向往挤出压力油脂，将渣土抵挡在外，避免其进入密封和轴承区域。日系和欧系盾构机虽然主驱密封不尽相同，但其工作原理却大同小异。本文以日立造船盾构机主驱动为例，研究其密封跑道的优化方法。

2 技术进化

早期日立、石川岛等日系机型，密封跑道与整个驱动轴承座是一体结构，整体为Q345B材质，其与密封接触的表面工作时发生滑动摩擦，主要的失效形式是出现磨损沟槽。由于外圈线速度大，所以外圈磨损剧烈，出现磨损后修复起来极为繁琐，整个轴承座上车床加工需要到具有大型立车的专业制造厂家进行，无论是经济性和时效性都不尽人意。轴承座磨损如下图1所示。

为了解决密封跑道修复困难的问题，伴随着技术进步，一种可更换的密封跑道被应用在主驱动结构中，如图2所示。

图2中件6即为可更换式密封跑道，是圆环结构，与轴承座之间采用法兰连接，此密封跑道常规材质为Q345B，成本低廉，无需热处理。主驱大修时可将密封跑道拆卸下来，单独对其进行沟槽修复，依据对磨损情况的判断，一般修复手段有三种情况：一是轻微磨损时，可对磨损局部区域进行手工简单堆焊，然后人工打磨光整后使用；二是磨损严重时，可对沟槽实施堆焊，留有加工余量，将整个圆环上车床加工至图纸尺寸后使用；三是磨损剧烈失效时，直接更换新件。

可更换式密封跑道仍存在以下问题：

（1）材质硬度低，抗磨损性能差，寿命短。一般掘进1.5-2km后就需对主驱动进行拆开检修，整个驱动拆解清理拆解安装工作量繁琐，维修周期长，且密封压板螺栓多次拆装螺纹易失效；

（2）经过一段时间的磨损，密封跑道出现沟槽，严重影响密封性能，甚至有可能导致土砂进入到密封圈的唇口处停留在沟槽里，细小沙粒在密封圈旋转运动下不断研磨唇口，恶性循环，主驱动失效的风险骤然增大，不仅密封跑道自身寿命低，还导致密封圈寿命大为缩短，进一步增加了维修费用。

为了解决以上弊端，就必须提高密封跑道的耐磨性能。目前主流做法是将材质提升为42CrMo调质处理，摩擦面实施表面淬火硬度达到HRc50以上。经过实际使用验证，硬化密封跑道可以极大提高寿命，减少大修次数，掘进5km内无需更换密封。且可与原主驱动可更换式密封套实现互换安装，整个主驱动的可靠性得到显著提升。然而此种硬化密封跑道也存在一些弊端：

（1）外径达3m以上的大型整体环锻件，对机加工和热处理能力要求非常高，由于端部带有法兰，原料损耗非常大，成本高；

（2）加工周期長，淬火表面一旦磨损出现沟槽，修复难度高。解决此问题可将主驱动结构加以优化，使密封跑道轴向安装留有10mm余量，出现磨损后，将密封跑道轴向窜动后，把已经磨损出的沟槽移位，使用新的摩擦面与密封唇口配合，从而延长驱动寿命。但此举只适合新制的驱动结构，原有旧结构无法互换使用。

为了既能实现摩擦面硬化，又要降低成本，现在新的表面处理技术已经得到应用。具体做法为：跑道本体材质仍使用Q345B，在与密封圈配合摩擦处，先车削2mm深的槽，使用激光熔覆技术，将特殊配比的金属粉末熔覆在槽内，将槽深补起来并留有少量加工余量，然后再采用磨削达到设计尺寸。该喷涂材料能达到HRc50以上，起到了强化耐磨的作用。应用这种新型熔覆技术，金属粉末与本体材质可紧密融合，不会发生剥落脱离现象。其造价仅为整体锻件的一半，性能与整体锻件持平，而且可重复利用价值更高。熔覆层磨损出沟槽后，可再次实施激光熔覆，重新进行磨削加工，具备二次利用的价值。而且可以使用原有旧的可更换式密封跑道进行再制造，为客户节约更多成本。

3 结语

对比研究以上四代密封跑道形式，可以反映出盾构机主驱动国产化后技术升级优化的现状，结合表面处理技术的进步，为我国盾构机技术消化吸收再创新提供了强有力的支撑，为加快推进城市轨道交通建设提供了设备保障。