王 凱，文中保

(中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司 特種裝備研究設(shè)計(jì)院，湖南 長(zhǎng)沙 410100)

引言

主驅(qū)動(dòng)是盾構(gòu)機(jī)的重要組成部分，其密封性能的好壞直接決定了盾構(gòu)機(jī)水土承壓能力的大小[1]。目前盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)主要采用唇形橡膠密封，為了提高水土承壓能力，一般會(huì)設(shè)置四道密封唇[2-4]，如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)唇形密封

第一道密封唇外加工迷宮腔P0，腔體內(nèi)持續(xù)注入高纖維油脂抵抗外部泥渣侵入；第一道與第二道密封唇形成的油脂腔P1，其會(huì)持續(xù)注入油脂，一方面進(jìn)一步提高主驅(qū)動(dòng)密封能力，另一方面對(duì)密封唇進(jìn)行潤(rùn)滑減磨；第二道與第三道密封唇形成的環(huán)腔為油氣密封腔P2，即當(dāng)外部水壓超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，此腔會(huì)注入齒輪油并用空氣加壓以給密封唇提供支撐力；第三道密封唇與第四道密封唇一般反裝，形成泄漏檢測(cè)腔P3；第四道密封唇主要是密封齒輪箱P4，以免其內(nèi)部齒輪油泄漏[5-6]。

單道唇形橡膠密封實(shí)際承壓能力一般在0.3 MPa左右[7]，在水土壓力小于0.3 MPa時(shí)，依靠油脂腔油脂壓力便可抵抗外部水土壓力，保證主驅(qū)動(dòng)密封可靠；當(dāng)水土壓力大于0.3 MPa且小于0.6 MPa時(shí)，通過(guò)對(duì)油氣密封腔加壓亦可抵抗外部水土壓力；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)大埋深高水壓作業(yè)，水土壓力超過(guò)0.6 MPa時(shí)，需分別對(duì)油氣密封腔、泄漏檢測(cè)腔及變速箱加壓，以抵抗外部高水壓，但現(xiàn)有主驅(qū)動(dòng)唇形密封很難抵抗外部水壓，外部泥渣會(huì)穿透密封侵入主驅(qū)動(dòng)造成盾構(gòu)機(jī)停機(jī)、工程延期等不良后果[8-9]。此外，現(xiàn)有主驅(qū)動(dòng)密封加壓時(shí)，多采用人工操作，對(duì)使用人員操作經(jīng)驗(yàn)要求較高，結(jié)果誤差較大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成泥水壓力不穩(wěn)，開(kāi)挖面塌陷、冒頂?shù)裙こ虨?zāi)害，而且不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泄壓，當(dāng)密封腔不需要加壓時(shí)，需人工開(kāi)啟泄壓球閥，存在一定安全隱患?？梢?jiàn)設(shè)計(jì)一種滿足高水壓、自動(dòng)加壓泄壓的主驅(qū)動(dòng)密封壓力控制系統(tǒng)已刻不容緩。

針對(duì)這一問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)了一種基于壓差控制的泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)密封氣動(dòng)保壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將現(xiàn)有唇形密封承壓能力提高至0.8 MPa，并可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)加壓、泄壓，無(wú)需人為參與，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。利用數(shù)值仿真分析軟件AMESim對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析[10]，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明：該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，控制精度高，安全可靠，可滿足泥水盾構(gòu)機(jī)在0.8 MPa高水壓工況下主驅(qū)動(dòng)的密封要求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 唇形密封理論

旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈是通過(guò)撓性密封唇與軸的過(guò)盈接觸來(lái)防止軸承潤(rùn)滑油的泄漏，防止塵土和泥水等外來(lái)物的侵入。

目前盾構(gòu)機(jī)廠商對(duì)主驅(qū)動(dòng)的密封均采用骨架式唇形密封圈[11]，常見(jiàn)的唇形密封圈有單唇形密封圈、帶壓緊環(huán)唇形密封圈及多唇形密封圈[12]，如圖2所示。

圖2 幾種常見(jiàn)的唇形密封圈

泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，尤其是大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)(開(kāi)挖直徑≥10 m)主驅(qū)動(dòng)密封多采用4道組合式單唇形密封圈。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。

如圖3所示，當(dāng)唇形密封圈工作時(shí)，密封唇主要受到三方面的力:一方面是來(lái)自唇口側(cè)介質(zhì)壓力pi，其直接作用在唇口上，使密封唇與密封環(huán)件產(chǎn)生一定的接觸壓力; 第二方面來(lái)自于密封環(huán)件安裝時(shí)給予密封的預(yù)緊力，其直接關(guān)系到密封唇本身的抗壓能力；第三方面來(lái)自于唇口背側(cè)密封介質(zhì)的壓力pi+1。經(jīng)理想簡(jiǎn)化后，密封唇口承受的壓力pw可近似于：

圖3 唇形密封圈工作原理

pw=pi-pi+1

(1)

根據(jù)HG/T 2811—1996《旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈橡膠材料》[13]可知，密封圈一般采用以丁腈橡膠、丙烯酸酯橡膠、硅橡膠和氟橡膠為基的橡膠材料，唇形密封圈的部分物理性能參數(shù)如表1所示。

表1 唇形密封材料參數(shù)

現(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)密封多采丁腈橡膠為基XAII 8433類(lèi)別的唇形密封，硬度約(85±3)度，承壓能力小于0.5 MPa。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)，在唇口側(cè)無(wú)介質(zhì)壓力時(shí)，唇口背側(cè)密封介質(zhì)一般需要約0.05 MPa才能開(kāi)啟唇口。

1.2 主驅(qū)動(dòng)密封氣動(dòng)自動(dòng)保壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，現(xiàn)有的盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)密封為四道組合唇形密封。設(shè)計(jì)一套如圖4所示的主驅(qū)動(dòng)密封氣動(dòng)自動(dòng)保壓系統(tǒng)，其采用全氣動(dòng)控制，利用保壓氣作為動(dòng)力源，避免洞內(nèi)短時(shí)斷電造成的不良后果。采集泥水盾構(gòu)機(jī)氣墊倉(cāng)頂部保壓氣來(lái)等效模擬掌子面泥水壓力，通過(guò)對(duì)P2油氣密封腔、P3泄漏檢測(cè)腔以及P4齒輪箱分級(jí)加壓，通過(guò)密封唇本身的抗壓及P1密封腔EP2油脂壓力和P2，P3，P4氣體壓力的共同作用，以抵消P0迷宮腔壓力。

圖4 主驅(qū)動(dòng)密封氣動(dòng)自動(dòng)保壓系統(tǒng)工作示意圖

如圖4所示，在P2，P3，P4腔加壓、卸壓過(guò)程中，為了保證密封不被損壞，需保證：

pw≤pc

(2)

其中,pc為密封唇本身抗壓能力。也就是需保證密封唇前后的壓差為一定值。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)及考慮可靠性，一般取P1腔密封唇抗壓能力為0.3 MPa，P2為0.35 MPa，密封唇開(kāi)啟壓力為0.05 MPa，以此得到各密封腔壓力變化表如表2所示。

表2 主驅(qū)動(dòng)密封腔加壓表 MPa

如表2所示，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到氣墊倉(cāng)壓力(等效P0腔壓力)大于0.25 MPa時(shí)，開(kāi)始給P2腔充壓，直到p0-p2=0.25 MPa為止(根據(jù)前述密封唇開(kāi)啟壓力約為0.05 MPa，考慮此處壓損，此時(shí)P1腔密封唇只需承受0.30 MPa壓力)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到氣墊倉(cāng)壓力大于0.6 MPa時(shí)，開(kāi)始給P3腔充壓，但由于P3與P4的密封為反裝，為了防止P4腔齒輪油由于P3充壓泄漏，需提前給P4充壓，即當(dāng)氣墊倉(cāng)壓力大于0.55 MPa時(shí)，便給P4腔充壓，直到p2-p4=0.30 MPa為止，此時(shí)P4腔密封唇承受0.05 MPa壓力。P3充壓時(shí)，需保證p2-p3=0.35 MPa，即P2腔密封唇承受0.35 MPa壓力。

根據(jù)上述所示，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)簡(jiǎn)化原理圖如圖5所示。

圖5中，氣源為系統(tǒng)提供動(dòng)力，P2，P4, P3壓差閥將保持P1，P4，P2腔密封唇壓差穩(wěn)定。壓差閥工作原理為，當(dāng)壓差閥前后壓差大于設(shè)定值時(shí)，閥芯開(kāi)啟加壓，當(dāng)壓差小于或等于設(shè)定值時(shí)，閥芯鎖閉。根據(jù)前述，設(shè)置P2壓差閥壓差為0.25 MPa，P3壓差閥壓差為0.35 MPa，P4壓差閥壓差為0.3 MPa。

1.P2壓差閥 2.P4壓差閥 3.P3壓差閥 4.過(guò)濾器

2 系統(tǒng)仿真分析

2.1 仿真模型

依據(jù)主驅(qū)動(dòng)密封自動(dòng)保壓系統(tǒng)工作原理，結(jié)合每個(gè)控制元件的動(dòng)作原理，利用AMESim的HCD(Hydraulic Component Design)庫(kù)建立系統(tǒng)主要元件以及整個(gè)系統(tǒng)的AMESim仿真模型，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)仿真模型

在AMESim設(shè)置系統(tǒng)仿真模型的主要參數(shù)如下：油氣密封腔容積為20 L，泄漏腔容積20 L，齒輪箱容積100 L，氣源壓力0.8 MPa，氣墊倉(cāng)壓力p1如圖7所示。

圖7 氣墊倉(cāng)壓力設(shè)置

2.2 仿真分析

設(shè)置系統(tǒng)仿真時(shí)間1000 s，仿真步長(zhǎng)0.1 s，得到P2油氣密封腔壓力p2響應(yīng)如圖8所示，P3泄漏檢測(cè)腔壓力p3響應(yīng)如圖9所示，P4齒輪箱壓力p4響應(yīng)如圖10所示。

由圖8～圖10可知，P2，P3，P4腔很好地跟蹤響應(yīng)了氣墊倉(cāng)壓力的變化。由圖8看出，當(dāng)氣墊倉(cāng)壓力為0.2 MPa時(shí)，P2腔沒(méi)有響應(yīng)，當(dāng)氣墊倉(cāng)壓力到0.25 MPa時(shí)，P2腔開(kāi)始響應(yīng)。氣墊倉(cāng)與P2腔壓差p5曲線如圖11所示。

圖8 油氣密封腔壓力響應(yīng)

圖9 泄漏檢測(cè)腔壓力響應(yīng)

圖10 齒輪箱壓力響應(yīng)

圖11 氣墊倉(cāng)與P2腔壓差曲線

由圖11可知，當(dāng)氣墊倉(cāng)壓力高于0.25 MPa時(shí)，壓差基本維持在0.26 MPa；當(dāng)氣墊倉(cāng)壓力為0.2 MPa時(shí)，P2腔無(wú)充壓，壓差維持在0.2 MPa不變。

各腔壓差仿真值與設(shè)定值對(duì)比表如表3、表4所示。

表3 壓力仿真值與設(shè)定值對(duì)比

表4 壓差仿真值與設(shè)定值對(duì)比

由表3看出，當(dāng)氣墊倉(cāng)壓力為0.7 MPa時(shí)，P2腔仿真壓力為0.43 MPa，較設(shè)定值誤差為-4%，P3腔仿真壓力為0.11 MPa，較設(shè)定值誤差為10%，P4腔仿真壓力為0.15 MPa，與設(shè)定值一致。

表4中，Δp1為P2與氣墊倉(cāng)壓差，Δp2為P2與P3壓差，Δp3為P2與P4壓差。由表4看出，氣墊倉(cāng)與P2腔壓差Δp1為0.27 MPa，較設(shè)定值誤差為8%，即P2腔欠壓；P2與P3壓差Δp2(P2腔密封唇壓差)為0.32 MPa，較設(shè)定值誤差為-9%，即P3腔超壓；P2與P4腔壓差Δp3(P4密封唇壓差)為0.28 MPa，較設(shè)定值誤差為-7%，即P4腔超壓。

綜上，仿真壓差誤差都在10%以內(nèi)，且各腔跟隨效果明顯，響應(yīng)迅速，進(jìn)一步說(shuō)明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)密封唇的壓差控制，提高主驅(qū)動(dòng)密封的承壓能力。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

通過(guò)以上分析可知，基于壓差控制的泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)密封氣動(dòng)保壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)將主驅(qū)動(dòng)密封承壓能力提高，為進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖12～圖16所示。

圖12 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)整體圖

圖13 測(cè)試氣源

圖14 各密封腔模擬氣罐

圖15 密封保壓系統(tǒng)集成柜

圖16 數(shù)據(jù)采集

圖17 密封腔壓力跟隨曲線

3.1 跟隨曲線

對(duì)氣墊倉(cāng)壓力進(jìn)行無(wú)規(guī)律變化，得到各密封腔壓力跟隨響應(yīng)曲線如圖17所示。

由圖17可知，當(dāng)氣墊倉(cāng)壓力變化時(shí)，各密封腔壓力可實(shí)時(shí)跟隨其變化，跟隨頻率一致。

3.2 各壓力點(diǎn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

1)氣墊倉(cāng)壓力為0.24 MPa

各密封腔壓力變化曲線如圖18所示，當(dāng)氣墊倉(cāng)壓力為0.24 MPa(小于0.25 MPa)時(shí)，主驅(qū)動(dòng)密封氣動(dòng)自動(dòng)保壓系統(tǒng)不工作。

圖18 氣墊倉(cāng)壓力為0.24 MPa

2)氣墊倉(cāng)壓力為0.29 MPa

各密封腔壓力變化曲線如圖19所示，當(dāng)氣墊倉(cāng)壓力為0.29 MPa時(shí)，油氣密封腔壓力恒定為0.05 MPa，壓差0.24 MPa(設(shè)計(jì)壓差0.25 MPa)，有0.01 MPa誤差。

圖19 氣墊倉(cāng)壓力為0.29 MPa

3)氣墊倉(cāng)壓力為0.34 MPa

各密封腔壓力變化曲線如圖20所示，當(dāng)氣墊倉(cāng)壓力為0.34 MPa時(shí)，油氣密封腔壓力恒定為0.1 MPa，壓差0.24 MPa(設(shè)計(jì)壓差0.25 MPa)，有0.01 MPa誤差。

圖20 氣墊倉(cāng)壓力為0.34 MPa

4)氣墊倉(cāng)壓力為0.39 MPa

各密封腔壓力變化曲線如圖21所示，當(dāng)氣墊倉(cāng)壓力為0.39 MPa時(shí)，油氣密封腔壓力恒定為0.14 MPa，壓差0.25 MPa，且當(dāng)氣墊倉(cāng)壓力顫振時(shí)，油氣密封腔壓差閥有很好的濾波性。

圖21 氣墊倉(cāng)壓力為0.39 MPa

5)氣墊倉(cāng)壓力為0.45 MPa

各密封腔壓力變化曲線如圖22所示，當(dāng)氣墊倉(cāng)壓力為0.45 MPa時(shí)，油氣密封腔壓力恒定為0.2 MPa，壓差0.25 MPa，且當(dāng)氣墊倉(cāng)壓力降低時(shí)，油氣密封腔壓力響應(yīng)有11.5 s延遲，但壓差仍穩(wěn)定在0.25 MPa。

圖22 氣墊倉(cāng)壓力為0.45 MPa

6)氣墊倉(cāng)壓力為0.49 MPa

各密封腔壓力變化曲線如圖23所示，當(dāng)氣墊倉(cāng)壓力為0.49 MPa時(shí)，油氣密封腔壓力恒定為0.24 MPa，壓差0.25 MPa，但有10.2 s調(diào)節(jié)時(shí)間。

圖23 氣墊倉(cāng)壓力為0.49 MPa

7)氣墊倉(cāng)壓力為0.55 MPa

各密封腔壓力變化曲線如圖24所示，當(dāng)氣墊倉(cāng)壓力為0.55 MPa時(shí)，油氣密封腔壓力恒定為0.3 MPa，壓差0.25 MPa，變速箱壓力0.03 MPa，與油氣密封腔壓差0.27 MPa(設(shè)計(jì)壓差0.3 MPa)，壓差閥標(biāo)定有誤。且氣墊倉(cāng)壓力變化時(shí)，油氣密封腔壓力有10.2 s延遲。

圖24 氣墊倉(cāng)壓力為0.55 MPa

8)氣墊倉(cāng)壓力為0.6 MPa

各密封腔壓力變化曲線如圖25所示，當(dāng)氣墊倉(cāng)壓力為0.6 MPa時(shí)，油氣密封腔壓力恒定為0.35 MPa，壓差0.25 MPa，變速箱壓力0.07 MPa，與油氣密封腔壓差0.28 MPa(設(shè)計(jì)壓差0.3 MPa)，標(biāo)定有誤。

圖25 氣墊倉(cāng)壓力為0.6 MPa

9)氣墊倉(cāng)壓力為0.65 MPa

各密封腔壓力變化曲線如圖26所示，當(dāng)氣墊倉(cāng)壓力為0.65 MPa時(shí)，油氣密封腔壓力恒定為0.4 MPa，壓差0.25 MPa，變速箱壓力0.12 MPa，與油氣密封腔壓差0.28 MPa(設(shè)計(jì)壓差0.3 MPa)，標(biāo)定有誤。泄漏檢測(cè)腔壓力0.05 MPa，與油氣密封腔壓差0.35 MPa。各個(gè)腔壓力能很好地跟隨氣墊倉(cāng)壓力變化，無(wú)延時(shí)，無(wú)振蕩。

圖26 氣墊倉(cāng)壓力為0.65 MPa

4 結(jié)論

通過(guò)仿真分析及實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出：所設(shè)計(jì)的基于壓差控制的泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)密封保壓系統(tǒng)，誤差小，控制精度高，安全可靠，可滿足泥水盾構(gòu)機(jī)在0.8 MPa高水壓工況下主驅(qū)動(dòng)的密封要求。