梁興生 賈士雄 趙苗苗 董明晶

(中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司 湖南長沙 410100)

1 引言

盾構(gòu)機(jī)是集機(jī)械、電氣、液壓、測量、控制等多種學(xué)科技術(shù)于一體，專門用于地下隧道工程開挖的技術(shù)密集型重大工程裝備[1-2]。近年來，隨著國內(nèi)各大城市地鐵建設(shè)、管道建設(shè)以及引水工程等項(xiàng)目實(shí)施，盾構(gòu)機(jī)因其安全性、經(jīng)濟(jì)性以及高效率的施工特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于隧道開挖項(xiàng)目施工中[3-5]。

鉸接密封系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)重要安全密封部分，主要作用是在盾構(gòu)機(jī)施工過程中承受開挖面的水土壓力，阻止水土進(jìn)入盾構(gòu)內(nèi)部。當(dāng)鉸接密封系統(tǒng)不完整就會(huì)導(dǎo)致外部的泥水進(jìn)入盾體內(nèi)部，破壞盾體內(nèi)其他重要部件，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)面臨施工事故隱患，風(fēng)險(xiǎn)極大[6-8]。隨著地下隧道工程開發(fā)的程度越來越廣泛，尤其是盾構(gòu)機(jī)在高埋深、高水壓的地質(zhì)環(huán)境下工作越來越頻繁，這對盾構(gòu)機(jī)鉸接密封系統(tǒng)安全性能的要求越來越高。為保證盾構(gòu)機(jī)鉸接密封結(jié)構(gòu)在高埋深、高水壓的工作環(huán)境中的安全性[9-12]，本文對比各種鉸接密封設(shè)計(jì)方案，分析了影響鉸接密封性的各種因素，提出一種適用于盾構(gòu)機(jī)在高埋深、高水壓地質(zhì)狀況下的鉸接密封系統(tǒng)，并通過搭建鉸接密封試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證該方案的可行性。

2 鉸接密封系統(tǒng)影響因素

2.1 鉸接密封的結(jié)構(gòu)形式

在滿足盾構(gòu)機(jī)施工的安全性情況下，鉸接密封的設(shè)計(jì)方案根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的機(jī)型、盾構(gòu)機(jī)的工作環(huán)境等條件確定。不同類型的鉸接密封設(shè)計(jì)方案有不同的結(jié)構(gòu)形式，但所設(shè)計(jì)的鉸接密封方案均需要保證盾構(gòu)機(jī)施工的安全性。常規(guī)鉸接密封系統(tǒng)主要由連接環(huán)、密封件以及調(diào)整環(huán)等零部件構(gòu)成。圖1a所示為鉸接密封的設(shè)計(jì)方案1，該設(shè)計(jì)方案主要有連接環(huán)、密封件、緊急裝置、調(diào)整環(huán)、調(diào)整螺栓等零部件構(gòu)成，通過殼體壓縮密封件(密封件有一定的壓縮量)，使密封件和殼體之間緊密接觸從而達(dá)到密封的作用。由于鉸接密封的往復(fù)運(yùn)動(dòng)以及盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整，會(huì)導(dǎo)致密封件磨損，當(dāng)密封件的密封效果減弱時(shí)，可以通過調(diào)整螺栓調(diào)節(jié)密封件以達(dá)到密封效果。當(dāng)通過調(diào)整螺栓的調(diào)節(jié)無法起到密封效果時(shí)，可以對安裝在密封件底部緊急裝置充氣，使密封件再次與殼體緊密接觸，保證鉸接密封系統(tǒng)的完整性，使盾構(gòu)機(jī)能夠正常工作。圖1b所示為鉸接密封設(shè)計(jì)方案2，該設(shè)計(jì)方案和鉸接密封設(shè)計(jì)方案1的工作原理相似，改變了密封件形狀。圖1c所示的鉸接密封設(shè)計(jì)方案3，該設(shè)計(jì)方案的工作原理和鉸接密封設(shè)計(jì)方案1有所不同的是密封件2固定方式和密封原理。密封件2由壓緊環(huán)固定并利用自身的背壓與殼體緊密接觸，以保證殼體與鉸接密封系統(tǒng)完整性，使盾構(gòu)機(jī)正常工作。圖1d所示為鉸接密封設(shè)計(jì)方案4，該方案設(shè)置了兩道唇形密封，通過將密封件由壓緊環(huán)固定在連接環(huán)上并利用密封件的背壓，起到密封作用。圖1e所示為鉸接密封設(shè)計(jì)方案5，該方案主要是利用密封件1與殼體接觸，達(dá)到了密封的作用，因密封件1磨損導(dǎo)致密封系統(tǒng)破壞時(shí)，安裝在密封件2底部緊急裝置充氣，使密封件2再次與殼體緊密接觸，保證鉸接密封系統(tǒng)的完整性。以上為常見的五種鉸接密封設(shè)計(jì)方案，各個(gè)方案結(jié)構(gòu)形式不同，但均是為了保證鉸接密封系統(tǒng)有足夠的安全系數(shù)，從而使盾構(gòu)機(jī)正常工作。

2.2 鉸接密封結(jié)構(gòu)密封件的截面屬性

鉸接密封系統(tǒng)中最為重要的零件為密封件，密封件質(zhì)量的好壞直接影響了鉸接密封系統(tǒng)的安全性。從結(jié)構(gòu)形式上來講，鉸接密封系統(tǒng)中關(guān)鍵密封件主要分日系、歐系及國內(nèi)系列，歐系海瑞克、羅賓斯、NFM，日系日立、三菱、小松，國內(nèi)知名廠家鐵建重工等主要制造商的鉸接密封件都為橡膠密封圈或唇形聚氨酯密封。橡膠密封圈形式有多種，如日系的O形密封(見圖2a)、歐系的心形密封(見圖2b)，國內(nèi)知名廠家鐵建重工的B形密封(見圖2c)等；唇形鉸接密封件的唇口型式不同分為單唇形密封(見圖2d)、多唇形密封(見圖2e)，多唇密封圈有更好的韌性，更能有效地適應(yīng)變形，承壓能力也更高。

圖2 密封件形式

2.3 鉸接密封結(jié)構(gòu)密封件的材料分析

鉸接密封系統(tǒng)的密封件一般分為橡膠密封和聚氨酯密封。從材料上看，橡膠密封主要成分為三元乙丙橡膠，主要采用低溫乳液聚合法生產(chǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是耐油性極好，耐磨性高，耐熱性好，粘接力強(qiáng)、耐腐蝕等特性。由于三元乙丙橡膠具有耐油性極好，當(dāng)鉸接密封結(jié)構(gòu)有輕微的漏水或者漏漿時(shí)，通過向鉸接密封結(jié)構(gòu)中填充大量的油脂，可以有效防止鉸接結(jié)構(gòu)漏水或者漏漿，保證鉸接密封系統(tǒng)的安全性。聚氨酯密封具有機(jī)械性能好、抗拉、抗磨、高回彈率和很好的氣體密封性等特點(diǎn)，在低溫-30℃時(shí)也有很好的柔韌性，抗氧化和耐臭氧性，使用壽命長。

3 超高壓鉸接密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及可行性

3.1 超高壓鉸接密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以上介紹的鉸接密封系統(tǒng)常用于常規(guī)、常壓的條件下選用，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在高埋深、高水壓的環(huán)境下，即鉸接密封系統(tǒng)需要承受大于16 bar高承壓。通過對比各種鉸接密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造以及使用經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的手段，對比不同載荷條件下，不同材質(zhì)、不同截面形狀下密封件的密封潤滑機(jī)理，提出了一種用于高埋深、高承壓的環(huán)境條件下的鉸接密封結(jié)構(gòu)(見圖3)。該鉸接結(jié)構(gòu)中的密封件截面為球形，且密封件的材料為橡膠。

圖3 鉸接密封結(jié)構(gòu)

3.2 鉸接密封試驗(yàn)臺(tái)

目前對鉸接密封系統(tǒng)安全性的試驗(yàn)分為兩種，一種是對密封件試驗(yàn)，一種是將鉸接密封系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際工況中。前一種試驗(yàn)?zāi)軌蚴∪ゴ罅康墓ぷ?，但是和?shí)際的環(huán)境相差很大，不足以明顯地模擬實(shí)際的工作環(huán)境；后一種試驗(yàn)雖然能夠?qū)嶋H地驗(yàn)證鉸接密封系統(tǒng)的安全性，但成本極高。立足于現(xiàn)有技術(shù)條件，借鑒國內(nèi)外盾構(gòu)機(jī)鉸接密封系統(tǒng)故障診斷技術(shù)研發(fā)成果，在不拆解、不損壞鉸接密封結(jié)構(gòu)的前提下，充分借鑒現(xiàn)有鉸接密封設(shè)計(jì)、制造、使用的經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的手段，設(shè)計(jì)一種鉸接密封試驗(yàn)臺(tái)(見圖4)。通過鉸接密封試驗(yàn)臺(tái)來模擬鉸接密封系統(tǒng)，依次來驗(yàn)證鉸接密封系統(tǒng)的安全性，這種方法綜合前面兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，既模擬了鉸接密封系統(tǒng)又符合實(shí)際的工作環(huán)境。

圖4 鉸接密封試驗(yàn)臺(tái)

3.3 鉸接密封結(jié)構(gòu)可行性

為了驗(yàn)證適用于超高壓鉸接密封系統(tǒng)的安全性，通過向鉸接密封試驗(yàn)臺(tái)的壓力腔內(nèi)注入水從而設(shè)置不同泥水壓力，不斷地調(diào)整擺動(dòng)角度來尋找鉸接密封失效的臨界點(diǎn)，檢測鉸接密封在不同的泥水壓力下能承受的最大擺動(dòng)角度；通過設(shè)置不同的泥水壓力，不斷地?cái)[動(dòng)，用更短的時(shí)間完成鉸接密封在擺動(dòng)的工況下壽命測試；通過調(diào)節(jié)壓縮量，模擬鉸接密封在不同壓縮量下承受的最大靜壓力。通過上述方法來模擬設(shè)計(jì)鉸接密封的實(shí)際工況，滿足動(dòng)、靜態(tài)下的密封保壓性能測試的狀況下，驗(yàn)證鉸接密封方案的可行性。

通過在鉸接密封試驗(yàn)臺(tái)頂部和底部分別安裝的壓力傳感器1(見圖5a)和壓力傳感器2(見圖5b)實(shí)時(shí)檢測鉸接密封系統(tǒng)所受的壓力。記錄壓力傳感器和時(shí)間之間相關(guān)的數(shù)據(jù)(見圖6)。從圖6中可以看出，設(shè)計(jì)的鉸接密封結(jié)構(gòu)在壓力將近17 bar的情況下，鉸接密封系統(tǒng)密封性完整，試驗(yàn)臺(tái)工作環(huán)境正常，驗(yàn)證了鉸接密封結(jié)構(gòu)在高承壓環(huán)境下的可行性。

圖5 壓力傳感器

圖6 時(shí)間和壓力關(guān)系

4 結(jié)束語

針對盾構(gòu)機(jī)鉸接密封系統(tǒng)面對超高壓(16 bar以上)的工作環(huán)境，總結(jié)分析了鉸接密封系統(tǒng)在盾構(gòu)機(jī)施工過程中的重要性，并根據(jù)對鉸接密封系統(tǒng)在設(shè)計(jì)方案、密封件的截面形式、材料等因素影響其密封能力的指標(biāo)分析，提出了一種用于超高壓的鉸接密封結(jié)構(gòu)方案。搭建鉸接密封試驗(yàn)臺(tái)，對提出超高壓鉸接密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性試驗(yàn)，通過試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)以及試驗(yàn)臺(tái)在超高壓的環(huán)境下正常工作，進(jìn)一步證明了該設(shè)計(jì)方案的可行性。新的設(shè)計(jì)方案對于解決盾構(gòu)機(jī)在高埋深、超高壓的工作環(huán)境以及提高盾構(gòu)機(jī)施工效率具有重要的實(shí)際應(yīng)用意義，同時(shí)為以后設(shè)計(jì)新的超高壓鉸接密封結(jié)構(gòu)提供直接借鑒價(jià)值。