盾构主轴承润滑与密封系统改进设计及研究

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近年来，在城市轨道交通建设过程中，盾构是地下掘进施工中的主要机械设备”，盾构主轴承是盾构的核心部件，起着支撑盾构刀盘并使之回转破岩的作用[21，必须具有极高的可靠性和较长使用寿命。润滑与密封系统是主轴承的关键系统，良好的润滑与密封系统是保障主轴承性能和安全使用寿命的前提条件。如果在施工过程中因主轴承润滑与密封等问题而造成泥渣颗柳入主轴承，从而引起主轴承或齿轮副损坏及泄漏，将加剧整个主驱动系统的迅速破坏，给盾构施工带来不可估量的损失 ，因此，对盾构主轴承润滑与密封系统进行改进设计及研究具有重要意义。

1 主轴承润滑与密封系统1.1 刀盘驱动系统结构盾构刀盘驱动系统结构如图 1所示。主轴承 1 1主要由3排滚柱轴承构成，分别承受径向和轴向载荷5J。主轴承密封分为内密封系统 15和外密封系统4。内外密封系统将主轴承腔室 10和驱动齿轮腔室13与外界隔开[61。内密封系统 15由两道唇形密封背向组合而成，具有很好的弹性，保持与密封衬套 l4紧密贴合，润滑与密封油脂泵不间断向内密封系统注入 EP2极压润滑脂，起到填充密封空隙和润滑的作用，同时内密封系统 15阻断了外侧杂物通过旋转接头腔体 16的浸入，同时也阻断了内侧驱动齿圈 12处齿轮油的泄漏17]，运行-定周期后 ，将废弃和老化的油脂从旋转接头腔体 16处排出，从而确保润滑和密封的良好效果；外密封系统 4由 3道加强型丁腈橡胶唇形密封 3、唇形密封 6和唇形密封8组成，系统中的泵体向3道密封内注入油脂起到填充和润滑的作用，同时起到隔断和阻挡作用，除了第 3道唇形密封 8由齿轮油进行润滑外 ，其他两道唇形密封 3和唇形密封 6均由油脂进行连续润滑阎。为了防止盾构土仓内的渣土、地下水等外部杂质侵入 3道唇形密封，在第 1道唇形密封 3前部增加 HBW密封腔 2，工作时不断向 HBW密封腔注人作者简介：张志鹏(1982-)，男，汉族，河北石家庄人，研实员，硕士，研究方向：机电液-体化控制技术。

- 26- 161.旋转法兰 2.HBW 密封腔 3.第 1道唇形密封 4.外密封系统 5.润滑密封腔 6.第 2道唇形密封 7.检测腔 8.第 3道唇形密封 9.密封支承 l0.主轴承腔室 l1.主轴承 12.驱动齿圈 l3.驱动齿轮腔室 14.密封衬套 15.内密封系统16.旋转接头腔体图 1 刀盘驱动系统结构图HBW油脂(盾构专用特殊油脂)。主轴承运转过程中不间断地向润滑密封腔 5注入 EP2极压润滑脂，起到填充和润滑的作用 ，同时阻挡 HBW油脂因压力回返而浸入外密封系统；检测腔 7内不加注油脂，而是用于漏油检查和油脂润滑效果检查，以及主轴承的密封效果检查[91。向整个系统加注 HBW油脂和润滑与密封油脂后，有效提高了主轴承以及整个系统的使用寿命。

1-2 HBW 系统当刀盘旋转时 ，HBW 油脂通过盾构台车上的HBW 泵站系统匀速输送到 HBW油脂多点分配泵 ，多点分配泵将 HBW油脂注入到第 1排唇形密封前圆周均匀分布的 8个注入点，将盾构主轴承外部密封系统 HBW密封环形空间填满，-方面起到润滑唇型密封的作用，另-方面HBW油脂在压力作用下沿着端面的迷宫密封向外溢出，可以有效防止土仓内的泥水和渣土进入 3排唇形密封 ，进而防止杂质进入主轴承内部，提高主轴承的寿命。HBW 系统如图 2所示。

1.3 主轴承润滑与密封油脂系统盾构在正常掘进过程中，在盾构的配套设施中装有-套润滑与密封油脂系统。该系统由泵站系统、调节机构和执行块组成。泵站系统提供动力，并将润滑与密封油脂输送到多管路润滑与密封调节机构；调节机构将油脂分配到润滑与密封执行块；执行块通过注入油脂保证刀盘驱动装置主轴承的外部密封腔、主驱动旋转体、螺旋输送机主轴承的内部润滑腔和外部密封腔等部件的正常工作。润滑与密封油脂泵不间断地向系统内注入润滑与密封油脂 ，注入油脂起到填充和润滑作用的同时 ，起到隔断和阻挡外界杂质作用。润滑与密封油脂系统如图3所示。

- 27- 图 3 主轴承润滑与密封油脂系统2 主轴承润滑与密封系统故障及分析2.1 故障现象某盾构在施工掘进过程中出现主驱动温度异常升高的故障，主轴承检测腔出现大量油污，并出现刀盘推力与转矩幅值波动异常增大等现象，盾构无法正常工作，严重影响了工程进度。对主轴承泄漏油污(见图4)进行分析检测，发现润滑油脂黏度、水分等指标严重超标 ，油污中有大量粉尘 、纤维状- 28- 物质和其他污染物质，油脂质量已严重劣化。此外，还在油污中发现大量的钢质擦伤和切削磨损产生的金属颗粒，而且较多的钢质擦伤颗粒表面有明显的缺油高温烧伤发蓝痕迹，这表明有关部件已严重润滑不良，磨损情况严重。同时，据统计，在施工过程中润滑与密封油脂泵和 HBW泵的泵送压力波动异常增大，压力波动范围为 0～O.6 MPa，HBW油脂和润滑与密封油脂的单位掘进环数消耗量偏大，同时润滑与密封油脂用量时多时少，多的时候每环用量3 主轴承润滑与密封系统改进设计根据分析检测和现场分析诊断，依据润滑和密封系统现有设备的配置，进行了方案研究、比较和论证，为保障盾构的正常运行，提出了改进方案。采取了下列改进措施：1)由于存在密封的失效，在盾构过场时进行主轴承修复并更换密封系统；2)在主驱动旋转接头处加装主轴承转速传感器，设定范围 0-3.2 r/min；3)在推进液压缸主推力控制拈处加设推力传感器，设定范围0～30 000 kN；4)在主驱动部位加设刀盘转矩传感器，设定范围0～4 500kN·m；5)在刀盘壁面加设刀盘转速传感器 ，设定范围- 3.5～3.5 r/min6)在前盾体壁部加设土仓压力传感器，设定范围0～0.2 MPa；7)在 HBW系统和润滑与密封油脂系统分别加设脉冲计量传感器，设定范围0-5次 /rain，以及压力调节阀组，设定压力0-0.3 MPa。

改进后的 HBW 系统和改进后的润滑与密封油脂系统如图 6和图7所示。

1.HBW油脂多点分配泵 2.压力调节阀 3.HBW泵体集成阀体 4.泵站及控制信号系统 5.压力调节阀 6.电磁控制阀7.脉冲计量传感器图 6 改进后的I-IBW 系统将主轴承转速、刀盘转速 、刀盘转矩、主推力、土仓压力、HBW系统和润滑与密封油脂系统的脉冲计量数据进行采集 ，通过信号集成装置(见图 8)集成，然后在信号装置(见图9)中转化，生成输出信号，传送给PLC控制装置。PLC程序分析各输入信号进行判断，通过动态反馈式平衡控制计算出盾构掘进-环时 HBW泵和润滑与密封油脂泵的泵送动态平衡运行指标。改进后润滑与密封系统框架图见图 10。

- 30- 具体改进如下：在原有 HBW 系统和润滑与密封油脂系统设备的基础上，分别在两个泵站的分流器的前端增设-个电磁阀，电磁阀由可编程控制器PLC控制，PLC具有如下功能：当泵开始工作后 ，电磁阀通电，开始注入HBW油脂和润滑与密封油脂，当计量脉冲数达到 5时，电磁阀断电，停止注 HBW油脂和润滑与密封油脂，采集拈开始采集数据，将采集到的数据传输给输入拈，通过分析拈对数据进行比较分析，依据设定好的两种工况：工况- ：主轴承转速为 0～1.5 r/min，刀盘转矩为 3 000～4500 kN·m，主推力为 15 000-30 000 kN，土仓压力为0.15～0.2 MPa时，输出信号 HBW泵和润滑与密封油脂泵的脉冲计量为 0-2.5次 /min，HBW泵泵送压力为 0.20～0.25 MPa，润滑与密封油脂泵泵送压力为0.25～0.30 MPa；工况二 ：主轴承转速为 1.5～3.2r/min，刀盘转矩为 0～3 000 kN·m，主推力为0-15000 kN，土仓压力为00.15 MPa，输出信号HBW泵和润滑与密封油脂泵的脉冲计量为 2.5～5次 /min，HBW泵泵送压力为0.05～0.2 MPa，润滑与密封油脂泵泵送压力为 0.10.25 MPa。泵体-直处于工作状态，电磁阀由PLC控制通断电，只要电磁阀通电，PLC分析条件满足其中-个工况中4个及以上的条件即可采用该工况模式运行，给出输出信号，按照输出信号的指令进行脉冲控制和泵送压力调节，然后再进行采集、比较、运算、输出，周而复始。

整个改进过程中仅投入了几万元的优化改造费用。设计改进后的 HBW系统和润滑与密封油脂系统在实际施工中，连续掘进 800环运行正常 ，HBW 油脂和润滑与密封油脂用量随着两种工况的变化均在设计用量范围之内，且与理论消耗量基本保持-致。其中工况- HBW油脂消耗量为2.0 L/环，润滑与密封油脂消耗量为 4.0 kg/环 ；工况二HBW油脂消耗量为 2.2 L/环，润滑与密封油脂消耗量为 4.1 kg/环。经后期工程核算，润滑与密封油脂节省了近55%，HBW油脂节省了近70%。信号拈和分析拈运行良好，泵送压力随着各个拈的信号变化实现了动态平衡调节。对主轴承检测腔进行长时间观测没有发现油污，说明主轴承运行正常，密封和润滑效果良好，且整机掘进效果 良好 ，说明主轴承润滑与密封系统的改进设计较为成功。

4 结束语近年来，随着国内城市轨道交通建设的大发展，盾构的需求量不断扩大，为保证盾构正常施工，盾构主轴承润滑与密封系统的改进设计显得尤为重要。改进后的主轴承润滑与密封系统采用主驱动- 32- 转速、推力、转矩、土仓压力与 HBW 系统和润滑与密封油脂系统脉冲计量动态平衡匹配的优化配置技术，在国内具有领先水平 ；在润滑与密封系统的控制过程中首先应用了由多个输入信号组成的集成装置和转化输出信号的信号装置，使得整个系统的控制反馈运行更加合理 ，具有技术创新性 ；有效降低了密封损坏的机率，延长了 3道密封的使用寿命，保护了主轴承，投入成本尤其是物料消耗大幅度下降，为工程项目节约了成本。本文所作研究对于今后盾构主轴承润滑与密封系统改进具有-定的参考价值，并可为今后盾构的结构优化和盾构法施工积累经验。