馬龍飛

（中鐵隧道局集團有限公司設備分公司，廣州 511458）

0 引言

目前國內(nèi)保有的全斷面隧道掘進機（盾構機／TBM）已有1 000 余臺，隨著各種全斷面隧道掘進機使用年限的增加，由于各種系統(tǒng)零部件的老化以及產(chǎn)品的升級換代因素，部分全斷面隧道掘進機開始進入老齡化階段，面臨著棄之可惜，用之不便的狀況。近年來，李桐[1]、喬治[2]等研究了盾構機再制造工程及部分案例，闡述了盾構機再制造的行業(yè)形勢及主要內(nèi)容，但未對主驅(qū)動等重要的單獨系統(tǒng)做深入分析。目前盾構機再制造行業(yè)仍處于初期階段，盾構機各系統(tǒng)再制造的重點及標準尚未量化。本文詳細總結了土壓平衡盾構機主驅(qū)動系統(tǒng)再制造的重點內(nèi)容，為后續(xù)行業(yè)標準研究制定、各企業(yè)盾構機再制造策劃與實施提供參考。

1 土壓平衡盾構機

土壓平衡盾構機作為使用較為廣泛的全斷面隧道掘進機，是依據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件進行“量體裁衣”的集光、電、液系統(tǒng)于一體的大型專用設備，因其安全性高、施工速度快、占地面積小等優(yōu)點，在城市地鐵、隧道等建設中得到越來越廣泛的應用[3]。

土壓平衡盾構機的主要工作原理：在掘進過程中，隨著刀盤不斷切削巖土，在沿圓周布置的液壓千斤頂推力下，盾構機不斷向前推進。當盾構機向前推進一個管片的長度（沿洞軸向）時，便可以用管片拼裝機將若干管片依次拼裝成環(huán)，渣土經(jīng)由有軌電瓶機車運至洞外。為了能夠更好地保證土壓力平衡，需要合理調(diào)控刀盤、螺旋機和掘進的速度，以便能夠更好地管控切削的土量和出土量，保持土壓內(nèi)部壓力。

2 主驅(qū)動系統(tǒng)

土壓平衡盾構機主驅(qū)動系統(tǒng)主要包括主軸承、主驅(qū)動環(huán)件、密封件、減速機、變頻電機等部件。主驅(qū)動是盾構機的核心部件，具有價值高、技術復雜及地址適應性要求高等特點[4]，其運轉(zhuǎn)的好壞、使用壽命長短、可靠性等直接影響到整個盾構機的運行及施工安全。因地下施工條件限制，在使用過程中，主驅(qū)動故障具有不可拆解、不可修復的特性，故其可靠性顯得更加重要[5]。

3 主驅(qū)動系統(tǒng)再制造重點內(nèi)容

3.1 主軸承

主軸承是盾構機核心部件及盾構機再制造中的一個重點。主軸承主要依靠盾構機主驅(qū)動密封及密封跑道的配合與外界隔離，在長期使用中伴隨著唇形密封、密封跑道的老化、磨損，軸承內(nèi)部不可避免地進入少量雜質(zhì)、水分，使?jié)L道面及滾子形成壓坑及銹蝕缺陷，如果主軸承潤滑不足則會加劇以上缺陷；用于潤滑的齒輪油品質(zhì)下降后未能及時更換，油液中包含的金屬顆粒、水分也會使軸承表面形成壓坑及銹蝕；在盾構機上不合理地使用電焊機等設備，會使電流通過主軸承，產(chǎn)生電蝕缺陷；在復雜地層中掘進時，主軸承長期經(jīng)受較大的負載及沖擊力，會出現(xiàn)裂紋、壓痕的缺陷，甚至會出現(xiàn)齒面壓潰的現(xiàn)象。主軸承存在的主要問題如圖1所示。以上問題都必須在主軸承再制造過程中予以解決，才能保證再制造后主軸承的質(zhì)量。

目前國內(nèi)盾構機主軸承的再制造一般需委托專業(yè)廠家進行，拆解前對軸承各項尺寸、游隙、跳動等數(shù)據(jù)進行檢測記錄；之后將軸承拆解至最小單元，采用著色、熒光磁粉、超聲波無損探傷等檢測方法檢查主軸承滾道、滾子、保持架、大齒圈磨損及是否存在裂紋，并檢測滾道、滾子表面硬度等。對各缺陷修復后進行組裝，再次檢測游隙、跳動等數(shù)據(jù)與拆解前進行對比，并達到修復前預期數(shù)據(jù)范圍。

圖1 主軸承存在主要問題

3.2 主驅(qū)動環(huán)件

為了避免外部雜物進入主驅(qū)動內(nèi)部結構，盾構機普遍采用唇形密封與密封跑道相配合的結構。內(nèi)密封跑道與內(nèi)唇形密封配合形成密封結構，并通過油脂注入防止外部渣土進入齒輪箱[6]；外密封跑道與外唇形密封配合形成密封結構，并通過油脂注入防止外部渣土進入主軸承結構。

再制造過程中，主驅(qū)動環(huán)件的問題主要集中在內(nèi)、外密封跑道。唇形密封與跑道環(huán)形成過盈配合，使用過程中密封跑道或密封（不同品牌、型號盾構機設計不同）與刀盤一同轉(zhuǎn)動，密封會在跑道接觸面形成磨痕，如圖2所示。盾構機進行再制造時，需對劃槽深度及寬度進行檢測并修復，以保證密封與密封跑道之間的配合性能；密封跑道制作材質(zhì)多選取42CrMo，其耐磨性能極佳，采用堆焊、機加工、熱處理[7]等工藝可對其進行磨損修復；為保證修復質(zhì)量，對焊接工藝、材質(zhì)選取、熱處理要求極高，修復成本較為昂貴；若磨損情況較為嚴重導致修復成本較高，則可考慮新制密封跑道進行整體更換。

圖2 密封跑道磨痕

3.3 密封件

主驅(qū)動密封件主要指內(nèi)、外唇形密封，以及主驅(qū)動全部的O 型密封圈。唇形密封在使用中因與密封跑道存在過盈配合，且存在相對運動，必然存在磨損；盾構機在進行再制造時，使用時間或掘進里程較長，唇形密封磨損及老化程度較大，且密封本身不具備修復措施及潛能，必須更換新密封。O型密封圈全部使用在結構結合面處，因長期擠壓存在變形及老化情況，其自身價值較低，一般在主驅(qū)動拆解后均全部更換。

3.4 減速機

減速機作為盾構機主驅(qū)動系統(tǒng)的重要部件[8]，將電機的扭矩及轉(zhuǎn)速傳遞至刀盤，實現(xiàn)刀盤的轉(zhuǎn)動。在惡劣的地質(zhì)條件下，減速機往往承受著極大的負載或者沖擊，隨著時間積累會慢慢產(chǎn)生各種問題；由于減速機的重要性，以及在盾構機中的安裝位置在掘進中難以拆解，故減速機再制造質(zhì)量的可靠及穩(wěn)定極為重要。在使用中，減速機常出現(xiàn)的故障有軸承磨損游隙超標，行星輪齒面裂紋或剝落，行星架銹蝕，行星輪銷軸松動，輸出齒輪裂紋或剝落，齒圈產(chǎn)生壓坑、磨損，保險軸產(chǎn)生裂紋等，極端情況下甚至會導致減速機齒圈、行星輪、行星架壓潰等。減速機存在的主要問題如圖3所示。

圖3 減速機存在主要問題

因減速機結構的復雜性及專業(yè)性，為充分保障減速機再制造后的整體性能滿足掘進要求，減速機的再制造多由專業(yè)廠家完成。盾構機減速機國產(chǎn)化尚未完成，國內(nèi)盾構機主驅(qū)動減速機全部使用進口品牌，但國外廠家對設備的使用、維修理念與國內(nèi)有所不同，故目前減速機主要由國內(nèi)減速機廠家進行再制造。減速機再制造完成組裝后，對其進行實況加載測試較為困難，目前多進行空載測試，如噪聲、震動、保壓等；但空載測試指標并不能完全保障減速機的性能，故廠家及使用單位需對減速機使用中存在的問題及現(xiàn)象進行反饋分析，為后續(xù)再制造改進提供便利。

3.5 主電機

圖4 主電機存在主要問題

在電驅(qū)盾構機中，主電機為刀盤轉(zhuǎn)動提供驅(qū)動動力。在電機拆解前需對絕緣阻值、軸承游隙等數(shù)據(jù)進行檢測記錄，并對外觀進行清潔、清洗；拆解后對各部件進行觀察及檢測并確定存在的相關問題。主驅(qū)動電機在再制造過程中的主要問題有軸承磨損游隙超標、冷卻水道內(nèi)部銹蝕堵塞、定子內(nèi)部進入異物腐蝕損壞電機絕緣、定子表面銹蝕等，如圖4 所示。因用電設備要求極高，以上每項問題均可導致電機報廢。在以往的再制造及使用中，電機的絕緣處理不當往往是造成返工的主要因素，故對線圈的繞制或蒸煮（處理油污等雜質(zhì)）步驟，以及后續(xù)的絕緣處理是主電機再制造中的核心工作，直接決定了再制造電機的質(zhì)量及性能。

4 再制造重點對施工作業(yè)的影響

盾構機作為多系統(tǒng)集成的大型專用設備，涉及領域廣泛，每個系統(tǒng)都包涵機械、液壓、電氣等多個技術點，如何掌握盾構機再制造的重點、各系統(tǒng)再制造的重點，對再制造工期籌劃、工序安排、技術方案制定、資金人員投入等至關重要。

以國內(nèi)已獲得國家工信部盾構機再制造資質(zhì)的某企業(yè)為例，盾構機再制造前需對機況進行勘察并制定前期策劃書，每個系統(tǒng)要再制造哪些內(nèi)容，哪些是重點、難點等均需詳細列舉；然后根據(jù)以上內(nèi)容制定人員投入計劃、工期計劃，以及對應的重難點系統(tǒng)的技術方案等；最后在根據(jù)人員投入計劃、工期計劃、技術方案預估整個再制造項目的費用情況。由此可以看出，掌握盾構機再制造的重點并進行梳理和落實，直接決定了再制造工程的質(zhì)量效益與經(jīng)濟效益。

5 結束語

在國內(nèi)盾構機逐步老齡化、行業(yè)內(nèi)尚無盾構機再制造相關標準規(guī)范的情況下，本文通過對土壓平衡盾構機主驅(qū)動系統(tǒng)再制造過程中需關注的重點進行了總結分析，可對盾構機主驅(qū)動及其他系統(tǒng)再制造標準規(guī)范的研究與編制提供參考；同時也是裝備制造及盾構機保有單位進行再制造或大修的指導范例，為降低再制造或大修成本、縮短策劃及再制造工期提供了便利。