劉 華

(中國鐵建重工集團股份有限公司， 湖南 長沙 410100)

0 引言

全斷面隧道掘進機廣泛應用于城市軌道交通、鐵路隧道、公路隧道、引水隧洞等工程施工，是集開挖、支護、出渣于一體的成套掘進設備，具有高速推進能力，因此被稱為工程機械中的“航空母艦”[1]。其中，主驅動系統(tǒng)作為掘進機最核心的部件之一，在施工過程中為整機刀盤提供回轉轉矩的同時，也起到承載軸向力、徑向力以及傾覆力矩的功能。由于掘進機的工況環(huán)境惡劣，且地質條件復雜多變，因此，為保證掘進機正常高效施工，主驅動系統(tǒng)的安全性和可靠性極為關鍵。安全穩(wěn)定的主驅動密封系統(tǒng)是保障主驅動正常工作的前提[2]，尤其在深井、海底隧道等具有高埋深、極高壓力的地質環(huán)境中，主驅動密封系統(tǒng)的承壓能力及安全可靠性是影響掘進機施工的關鍵。若主驅動密封系統(tǒng)的結構無法承受高壓環(huán)境，很容易導致外部泥水或碎石進入主驅動內部[3]，損壞內部零件，降低主軸承壽命，不僅降低掘進機的可靠性，而且?guī)砉て谘娱L、施工成本大幅增加的風險[4-8]。隨著大埋深、高水壓隧道施工項目的不斷增加，對于高承壓(>1 MPa)主驅動密封的需求迫在眉睫，提高主驅動密封系統(tǒng)承壓能力尤為關鍵，且亟需深入研究。

王豪[9]從主驅動密封結構的密封機制出發(fā)，分析了不同廠家密封結構的優(yōu)缺點，進而提出主驅動密封系統(tǒng)在設計、裝配和運轉過程中需要注意的問題和優(yōu)化建議；劉文喜等[10]對掘進機主驅動密封失效案例進行了分析，通過現場試驗查找失效原因，并針對該密封結構提出優(yōu)化設計手段；張華光[11]針對某盾構主驅動齒輪油潤滑系統(tǒng)出現的分配閥堵塞問題進行了研究，制定了故障處理措施，保證了盾構施工的安全；張中華等[12]針對常見的單唇密封結構，分析工作壓力(0.3 MPa、0.5 MPa和 0.7 MPa)對密封件的影響規(guī)律，提出構建背壓和并聯(lián)安裝中間環(huán)來提高系統(tǒng)的耐高壓能力；馬鶴[13]針對主驅動密封存在的VD密封斷裂失效、唇形密封磨損及密封襯套磨損等問題，對密封材質和密封形式進行改進，提升了密封安全性能；李潤軍等[14]對密封材質、安裝方式與密封油脂對主驅動密封性能的影響進行研究，通過實體工程應用確定密封材質改為合成橡膠、采用壓板方式達到密封改造的預期效果；許發(fā)成[15]對主驅動迷宮結構、密封潤滑系統(tǒng)的不同工作狀態(tài)進行試驗，通過密封靜態(tài)試驗與動態(tài)試驗對密封潤滑形式、密封溫升等進行分析，綜合提出主驅動設計建議。已有研究主要集中在主驅動密封系統(tǒng)的原理分析、根據故障類型對密封系統(tǒng)進行優(yōu)化以及提供密封失效的解決辦法等方面，對主驅動密封系統(tǒng)承壓能力的研究也局限于低壓環(huán)境，少有針對高埋深、高水壓工況下(≥1 MPa)轉速、承壓大小等關鍵參數對主驅動密封系統(tǒng)影響的研究。

本文基于搭建的φ5 m級主驅動密封系統(tǒng)試驗臺開展試驗，試驗對象為多道橡膠唇形密封和聚氨酯密封聯(lián)用的高壓密封系統(tǒng)。通過密封試驗臺研究轉速、承壓狀態(tài)與冷卻水流量對高壓密封系統(tǒng)運行溫度的影響，以期指導主驅動高承壓密封系統(tǒng)的結構設計與參數優(yōu)化。

1 試驗方案

1.1 密封試驗臺

主驅動高壓密封試驗臺如圖1所示，由液壓馬達、減速機、花鍵軸、固定環(huán)、密封系統(tǒng)、旋轉環(huán)、壓緊環(huán)和底部支撐等組成。試驗臺采用唇形橡膠與聚氨酯聯(lián)合密封系統(tǒng)，可測試密封系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)性能。試驗臺密封系統(tǒng)的結構及裝配方式與整機設備上保持一致，實際高壓密封系統(tǒng)采用多道唇形密封或多道聚氨酯密封，試驗臺密封系統(tǒng)結構為2種高承壓密封系統(tǒng)聯(lián)合(每種密封系統(tǒng)最高可承受2 MPa壓力)，可同時對2種高壓密封系統(tǒng)進行試驗驗證。此外，試驗臺配備與實際施工中相同的油脂潤滑系統(tǒng)，能模擬各種潤滑工況；同時，配置電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)來控制試驗臺的回轉轉速以及油脂潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的流量。

圖1 主驅動高壓密封試驗臺

高壓密封試驗臺密封結構如圖2所示，其由多道唇形密封、隔離環(huán)、四指聚氨酯密封、固定環(huán)和旋轉環(huán)組成；同時，固定環(huán)上存在腔體，腔體由多道唇形密封腔、建壓腔(YL)和多道聚氨酯密封腔構成。以多道唇形密封為例，其承壓原理為： 通過在多個密封腔設置不同壓力大小的背壓，保證每道唇形密封承壓相同，以此來承載高壓(建壓腔的壓力)。

圖2 高壓密封試驗臺密封結構示意圖

固定環(huán)上設置溫度傳感器、壓力傳感器、轉速傳感器，液壓系統(tǒng)配置流量計，來檢測試驗過程中轉速、溫度和流量等參數的變化情況。

1.2 試驗步驟

1)開啟齒輪油泵，讓齒輪油在各密封腔(包括唇形密封和聚氨酯密封)內循環(huán)，待各個腔注滿齒輪油后，停止齒輪油循環(huán)，開始建壓；

2)開啟冷卻水泵，采用逐級加壓方式，在1.0、1.5、2.0 MPa承壓下進行靜態(tài)試驗，聚氨酯的冷卻水流量選取70 L/min，每級壓力下保壓30 min(保壓操作為： 首先關閉密封腔出油口球閥，調控油泵的油壓值，然后向密封腔進油口輸入高壓油，當密封腔壓力達到預定值，關閉進油口球閥，觀察30 min密封腔油壓變化，保壓過程中壓降在0.05 MPa范圍內時進一步加壓)；

3)動態(tài)試驗為1.0、1.5、2.0 MPa逐級加壓，選取最大冷卻水流量70 L/min與齒輪油潤滑介質，在1.0、1.5、2.0、2.5 r/min 4種轉速下開展運行測試；

4)當逐級加壓至2.0 MPa、轉速升至2.5 r/min時，逐級調整冷卻水流量(70、50、30 L/min)，完成運行測試。

以上步驟中，每項測試運轉時間為30 min。

1.3 測試參數

試驗過程中主要測試參數為旋轉環(huán)的轉速、建壓腔(YL)壓力、聚氨酯密封溫度、唇形密封溫度，由于聚氨酯密封腔與唇形密封腔有多道，因此溫度結果取平均值。各參數檢測頻率為每隔5 min檢測記錄1次。

2 試驗數據分析

2.1 靜態(tài)試驗

試驗臺密封系統(tǒng)逐級加壓至1.0、1.5、2.0 MPa時，建壓腔壓力穩(wěn)定，最高壓差變化為0.013 MPa，如圖3所示。聚氨酯密封和唇形密封溫度分別為15.7、15.5 ℃(室溫)，因此密封系統(tǒng)在高承壓狀態(tài)可保持穩(wěn)定，各項參數指標正常，驗證了隧道掘進機高壓密封系統(tǒng)結構設計的可行性。

圖3 靜態(tài)試驗建壓腔(YL)壓力變化

2.2 動態(tài)試驗

2.2.1 轉速對高壓密封系統(tǒng)承壓狀態(tài)與密封運行溫度的影響

圖4示出1.0、1.5、2.0 MPa承壓狀態(tài)下不同轉速時建壓腔(YL)的壓力變化。測試條件為選取70 L/min的冷卻水流量與齒輪油潤滑介質。當建壓腔逐級加壓到1.0、1.5、2.0 MPa時，不同轉速下壓力波動范圍較小，未出現較大壓降，說明此高壓密封系統(tǒng)在動態(tài)測試條件下可穩(wěn)定運行。

(a) 1.0 MPa

此外，隨轉速增加，建壓腔壓力波動幅度也增加。例如： 1.0 MPa壓力下，轉速由1.0 r/min增至2.5 r/min時，壓差由0.01 MPa增至0.027 MPa；1.5 MPa壓力下，轉速由1.0 r/min增至2.5 r/min時，壓差由0.018 MPa增至0.056 MPa；2.0 MPa壓力下，轉速由1.0 r/min增至2.5 r/min時，壓差由0.021 MPa增至0.089 MPa。這說明高轉速更易影響承壓密封的穩(wěn)定性，壓力越高影響越大。考慮承載工況，當掘進機需承受極高壓力、重載時，推薦選取的轉速范圍為1.0～2.0 r/min。

圖5和圖6分別示出1.0、1.5、2.0 MPa承壓狀態(tài)下不同轉速時唇形密封和聚氨酯密封的溫度變化。由圖可知，唇形密封和聚氨酯密封的溫差隨轉速增大而增大，聚氨酯密封溫升幅度整體低于唇形密封。原因在于聚氨酯承受溫度的上限(80 ℃)低于橡膠唇形密封(120 ℃),采用冷卻水冷卻后，降低了轉速對聚氨酯密封溫升的影響。

(a) 1.0 MPa

(a) 1.0 MPa

由圖5可知，在1.0、1.5、2.0 MPa承壓工況下，轉速1.0 r/min時唇形密封溫升分別為3.7、4.3、4.5 ℃，轉速1.5 r/min時唇形密封溫升分別為4.7、6.8、8.2 ℃，轉速2.0 r/min時唇形密封溫升分別為5.2、8.2、13.9 ℃，轉速2.5 r/min時唇形密封溫升分別為6.4、10.7、14.4 ℃。由圖6可知，在1.0、1.5、2.0 MPa承壓工況下，轉速1.0 r/min時聚氨酯密封溫升分別為1.6、2.0、2.1 ℃，轉速1.5 r/min時聚氨酯密封溫升分別為2.0、2.2、3.6 ℃，轉速2.0 r/min時聚氨酯密封溫升分別為2.5、3.5、4.1 ℃，轉速2.5 r/min時聚氨酯密封溫升分別為3.0、4.4、6.5 ℃。這說明隨著承壓增加，轉速對唇形密封與聚氨酯密封溫升的影響也增大，原理在于承壓增加，密封摩擦力增大，產生的熱量升高。

綜合轉速對建壓腔壓力穩(wěn)定性與密封系統(tǒng)溫升的影響，轉速1.5 r/min為兼顧建壓腔壓力穩(wěn)定性與發(fā)熱量的最優(yōu)轉速。

2.2.2 承壓狀態(tài)對密封運行溫度的影響

圖7示出唇形密封和聚氨酯密封在不同轉速與承壓狀態(tài)下的密封溫度變化。由圖可知： 1)在不同轉速范圍內，唇形密封與聚氨酯密封的溫升隨承壓增加而增大，且高承壓狀態(tài)下的溫差更大，其原因在于承壓越高，轉動時密封摩擦產生的熱量越多，因此整體溫度隨承壓增加而增大； 2)相同承壓下，受聚氨酯密封冷卻水的影響，聚氨酯密封的溫升變化小于唇形密封。此外，由2.2.1節(jié)可知轉速在1.5 r/min附近時，密封系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性與發(fā)熱量；由圖5同樣可知，當工況壓力極高，即2 MPa，轉速1.5 r/min時唇形密封溫度不超過30 ℃，因此該轉速可有效改善密封系統(tǒng)的發(fā)熱問題。

(a) 唇形密封

2.2.3 冷卻水流量對聚氨酯密封運行溫度的影響

圖8示出最惡劣工況下(建壓2 MPa、轉速2.5 r/min)冷卻水流量對聚氨酯密封溫度的影響。由圖可知，測試運行30 min后，當冷卻水流量為30 L/min時，聚氨酯密封溫升為13.4 ℃；當冷卻水流量為50 L/min時，聚氨酯密封溫升為8.6 ℃；當冷卻水流量為70 L/min時，聚氨酯密封溫升為6.5 ℃。聚氨酯密封溫升變化與冷卻水流量大小為負相關，表明冷卻水流量越大對密封的冷卻效果越好；但當冷卻水流量由50 L/min增大到70 L/min后，兩者溫升差值較小，說明當冷卻水流量為50 L/min時，繼續(xù)提高冷卻水流量對提升聚氨酯密封的冷卻效果有限，冷卻水流量參數的較優(yōu)取值為50 L/min。

圖8 建壓2 MPa、轉速2.5 r/min工況下冷卻水流量對聚氨酯密封溫度的影響

3 結論與討論

1)高轉速會降低承壓密封的穩(wěn)定性，在高壓下影響顯著增強。轉速對唇形密封和聚氨酯密封系統(tǒng)溫度有較大影響，與密封系統(tǒng)溫升呈正相關，并且承壓越高，密封系統(tǒng)溫升越大。受聚氨酯密封冷卻水的影響，聚氨酯密封的溫升變化小于唇形密封。由唇形密封和聚氨酯密封溫度變化可知，轉速選取1.5 r/min附近時，φ5 m級高壓密封系統(tǒng)壓力穩(wěn)定性與發(fā)熱量2項指標均衡最優(yōu)。

2)對于聚氨酯密封，冷卻水流量越大，密封溫升越小，冷卻效果越好，但冷卻水流量提高到一定值后，對提升密封冷卻效果有限，在設計聚氨酯密封冷卻水流量時需綜合考慮。φ5 m級高壓密封系統(tǒng)中聚氨酯密封的冷卻水流量控制在50 L/min較優(yōu)。

密封試驗臺靜態(tài)、動態(tài)試驗聯(lián)合驗證了多道唇形密封與多道聚氨酯密封2種高壓密封系統(tǒng)結構設計的可行性。本文主要針對轉速、承壓狀態(tài)及冷卻水流量對φ5 m級主驅動密封系統(tǒng)的影響進行研究，但未涉及壓縮量、潤滑介質改變帶來的影響，此外不同規(guī)格尺寸的主驅動密封系統(tǒng)在以上關鍵參數影響下的變化機制以及關鍵參數優(yōu)化設計還有待深入研究。