全断面隧道掘进机主轴承故障诊断研究

（中铁隧道局集团有限公司设备分公司，广东 广州 511462）

随着地下空间的开发及利用，以全断面隧道掘进机为代表的地下空间施工方法得到了广泛应用。主轴承作为全断面隧道掘机关键零部件之一，如在设计、制造、安装、使用时存在问题，就会引起轴承内部损坏，需停机进行故障处理。受隧道内空间限制，更换耗时长，给工程安全、工期、成本带来诸多不可控。国内、外对标准的轴承故障诊断研究较多，但针对全断面隧道掘进机主轴承施工现场的故障诊断研究较少，因此对全断面隧道掘机主轴承的结构原理、故障诊断方法及故障原因研究尤为重要。

1 主轴承安装位置及结构原理

图1 盾构主机驱动结构

以中铁工程装备设计的全断面隧道掘进机主轴承安装位置为例，主机驱动结构见图1，驱动单元以液压或主电机提供动力源，主轴承承担支撑机械旋转体，外圈作为双半套圈组合结构，依靠内六角螺栓连接机架，内圈则是大齿圈，刀盘与刀盘连接体依托高强度的螺栓进行连接，主驱动运用减速箱驱动小齿轮运行，小齿轮与大齿圈带动刀盘运动，在轴承的前方设计有内外密封，以阻挡外来污染物。

以SKF 公司、洛阳轴承集团有限公司制造的主轴承为例（图2），由3 列圆柱滚子、保持架、内圈、外圈组成，圆柱滚子又可分为主推力、反推力和径向滚子三种形式；径向滚子承载着径向力，反推滚子则承载反推力和倾覆力矩，主推力滚子则承载着刀盘推进力和刀盘自重琪的倾覆力矩，盾构主轴承承载的最大力是轴向力。

图2 盾构主轴承结构

2 失效型式

通过对中铁工程装备（WIRTH）、中铁建、海瑞克、罗宾斯公司生产的全断面隧道掘进机100 台主轴承全寿命周期跟踪，对失效的主轴承进行拆解，失效型式主要有：压痕、擦伤、划伤、锈蚀、磨粒磨损等，主轴承失效型式见图3。

图3 主轴承失效型式

通过分析失效的主要原因如下。

1）压痕：轴承内部零部件在运动时，由于接触面咬入了金属剥块、污染颗粒，受大推力挤压，在两接触面上产生凹痕。

2）擦伤：添加了黏度较高或较低的润滑油、水冷却器损坏大量水进入主轴承内部，使零部件之间形成干摩擦，出现擦伤。

3）划伤：主轴承滚子崩裂形成锋利的刀刃状，滚子运动时在滚道形成划痕。

4）磨粒磨损：由于密封损坏，刀盘前面的砂粒经密封进入轴承内部，从而引起主轴承零部件磨粒磨损。

5）锈蚀：由于设备长时间不运转，以及在存放时润滑油中进入大量水分，润滑油中添加剂与水发生氧化反应，从而引起零部件锈蚀。

3 故障诊断方法

目前，主轴承的检测方法主要有：油品检测、振动测试、掘进机掘进参数变化分析、外密封出脂情况检查、电涡流测试、内窥镜观察、密封保压、油位变化观察等，主轴承故障检测方法对比见表1。

通过以上故障诊断方法对比，在对主轴承进行故障诊断时，采用单一的故障诊断方法并不可取，需结合多种诊断方法，才能精准判断故障发生部位及原因。

4 主轴承故障案例

4.1 工程概况

广州狮子洋隧道工程是广深港铁路客运专线控制性工程，隧道工程全长10.8km，设计时速350km，是我国首座水下铁路隧道工程，该工程左线采用全断面隧道掘进机施工。

4.2 设备参数

刀盘开挖最大直径11.18m，总长71m，主机长12.43m，总重约1 300t，刀盘开口率31%，由8 台250kW 主电机驱动，额定扭矩5 250kNm，脱困扭矩17 745kNm，主轴承设计寿命10 000h。

表1 主轴承故障检测方法对比

4.3 故障现象

2009 年10 月12 日，通过对左线主轴承润滑油检测发现：油中水分含量＞0.1%，出现乳化，对主轴承作了连续跟踪监测，油品理化指标检测结果见表2。

通过检测发现：主轴承在2009 年11 月19日至2010 年2 月29 日由于密封异常磨损，大量的油脂进入到轴承内部，引起黏度升高，最高达910.5cst，先后进行了三次换油处理。

为寻找诊断故障规律，对2009 年7 月23 日至2010 年7 月20 日油品进行了监测，油品理化指标、光谱、铁谱检测结果见表3。

通过加大主轴承密封进脂量后，油品的黏度最高达3681cst，铁、铜、硅元素有所下降，铁谱中的磨损状态变化不大，但水分的进入引起酸值的变化，需进行油品更处理。通过对比发现，在每次进行换油后，只要改善主轴承润滑状态，运动部件的磨损状态会有周期性改观。

采取措施：当油品理化指标超标后，进行油品更换以改善主轴承内部的磨损，主司机操作时根据主轴承油品变化情况选择合适掘进参数，同时加大注脂量，以挡住从刀盘前进入主轴承内的石渣。

由于该机的主轴承故障诊断方法得当，处理及时，该工程于2011 年3 月12 日按计划顺利贯通。事后在洛阳轴承厂对该机的主轴承进行了拆解，发现主轴承内、外密封损坏，与密封接触端面磨损6～10mm，主轴承滚道、滚子及保持架存在严重的异常剥块及磨损，与运转时故障诊断结果一致。

5 结论与建议

表2 盾构主轴承润滑油油品理化指标检测一览表

1）主轴承失效型式与设备制造、安装、使用好坏存在关系，只有控制好各个环节才能保障设备的正常工作。

2）单一的故障诊断方法作用有限，应采取多种诊断方法才能准确找到故障发生部位及原因。

3）主轴承在使用过程中，应定期进行状态监测，如有条件可进行在线监测，出现问题后及时处理，可提高故障诊断率。

4）建议主轴承厂家在设计主轴承时留专门的观察孔，以便对内部结构磨损观察。

5）主轴承故障诊断基于物联网、5G 技术应用，是未来监测技术的发展方向。

表3 油品理化指标、光谱、铁谱检测一览表