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盾构机主轴承密封的调整和更换 |
在日新月异的各种隧道施工法中，盾构法施工在我国城市地铁隧道、过江河公路隧道、城市排污管道、过江输水或输气管道中使用越来越普遍。作为盾构机核心部件之一的主轴承起着支承盾构刀盘并使之回转破岩的作用，而密封系统是主轴承的一个关键部件，该系统位于主轴承的前端，阻止泥碴进入主轴承。由于是地下作业，该密封系统难以在隧道洞室内更换，如果在施工中因密封损坏或磨损间隙过大等问题而造成主轴承齿轮油泄漏或泥碴颗粒进入齿轮箱，从而引起主轴承或齿轮损坏，将会对盾构机带来不可估量的损失。因此，主轴承密封的维护和调整对于延长密封的寿命、保证盾构机的正常使用起到重要的作用。
1 盾构机刀盘主轴承及其密封系统
德国海瑞克土压平衡式盾构机的刀盘驱动系统如图1所示。
刀盘主轴承主要由3排滚柱轴承构成，分别承受径向和轴向荷载。内外部密封系统6将主轴承腔室和驱动齿轮与外界隔开，该系统由3道加强型的丁腈橡胶唇型密封组成(见图2所示)。密封唇口有很好的弹性，保持与密封衬套7紧密贴合，使盾构机能够承受刀盘土仓0.3MPa的土压或水压。该系统采用不问断的油脂润滑，油脂起到填充密封空隙和润滑的作用。除了第3道唇型密封由齿轮油进行润滑外，其他两道密封均由油脂进行连续“冲洗”润滑，油脂的消耗量视工况而定。其中第2道和第3道唇封问设置1个油道，以进行漏油检查和油脂润滑效果的观察。
盾构机主轴承设计时，其密封的使用寿命要短于主轴承以及衬套的使用寿命。在整个盾构机主轴承的寿命周期中，一般需要更换1～2次外密封和内密封。同时考虑到主轴承密封的可靠性及维护简单等因素，也设计了通过调整密封衬套位置来保护主轴承密封的密封性能。主轴承密封结构剖面见图3。
图1 刀盘驱动系统示意图
图2 主轴承密封图
图3 主轴承内、外密封结构图
2 主轴承密封的可靠性
(1)通过调整密封衬套位置以保证主轴承密封的可靠性。
盾构机在使用一定时间后，由于主轴承的密封唇口及碴土(只有第一道密封处才有碴土)与密封衬套长时间相对旋转和摩擦，唇型密封会在衬套圆周方向上磨出一道约3～5mm的细槽(槽痕的深度依运行时间的长短和掘进时外部土仓对密封唇口的压力而定)，外侧密封的槽痕较深，见图4所示。
由于这种槽痕问隙的存在，会对主轴承密封唇口的密封性能造成影响，并加速密封唇口的磨损，虽然有不问断的润滑油脂填充，当磨损到达一定程度时，仍会造成主轴承腔室齿轮油泄漏和进入碴土、泥砂，从而引发主轴承滚柱、滚道以及保持架的损坏。如果不消除槽痕带来的危害性，即使是更换了新的密封，由于槽痕的不平整，唇口和衬套的配合间隙达不到设计和使用要求，密封效果同样不理想。因此，需要通过改变密封衬套和唇型密封的相对位置来减少由此而带来的危害。
密封衬套的外圆周表面与主轴承密封的唇口接触，在中间部位用28个高强度螺栓对称固定在与主轴承连接的环形法兰上，衬套的14个调整螺栓间隔均布在固定螺栓中间，如图5所示。
在进行密封衬套调整工作之前，需要确定主轴承密封衬套可调总长度以及可调整的次数。衬套的可调整距离可在图4示意处测出。根据维护经验，一般可以从密封唇口磨损宽度测量值来确定衬套的调整次数，每次控制约5mm的位移量，从而确保衬套使用的经济性和合理性。
调整衬套位移的方法是改变主轴承密封衬套调整螺栓的长度，在圆周方向上使用比原来长的新调整螺栓把衬套往掘进方向顶出，使密封衬套在环形法兰上移动所需距离。调整前需把所有的固定螺栓拆除，为了防止螺栓拆完后衬套整体脱离环形法兰和密封唇口，要在对称方向上使用几个比原固定螺栓长的新螺栓固定衬套，但螺栓不能拧到底，要预留一定间距，用来确保衬套的调整长度。
为了保证调整位移的精确性和圆周位置上的同一性，可先测量旧调整螺栓的长度，然后更换成比原螺栓长5mm的新调整螺栓，新螺栓在对应的螺栓孔紧固后，把密封衬套往掘进方向顶出相同的距离，这样就可以保证调整的位移精度。最后再将紧固螺栓重新安装，固定衬套。调整后可使主轴承密封唇口紧紧贴合在一个新的、没有磨损的衬套表面，保证了主轴承密封的密封性能。
使用同样的方法，也可以调整主轴承内密封的衬套和密封的相对位置。
在主轴承密封使用寿命内通过调整衬套的位置来保证密封性，不需要频繁更换内外密封和衬套，减少了设备维护时间和成本，降低了维修工作的困难。
(2)更换主轴承内外密封。
在主轴承密封达到预期寿命后，需要更换所有的内外密封。其步骤是拆除刀盘，使刀盘和主轴承脱离，按照图1所示位置分别拆除内外密封的盖板，逐个拆出密封和隔套。在拆除的同时可以观察密封与密封之间有无杂物和水，隔套中是否充满油脂，从而判断主轴承密封是否良好。然后清洗衬套上的残留油脂，检查密封唇口处的摩擦槽痕，判断是否需要调整衬套的位置。安装新的密封条和隔套，依照螺栓预紧力矩紧固螺栓。通过注脂油道把密封之间空隙填满油脂。最后，在主轴承中注入适当的齿轮油。
通过以上两种方法，保证了盾构机在长时间使用后仍能保证主轴承密封的可靠性。同时通过调整衬套和更换密封的工作，为更好地使用和维护盾构机积累了经验。
图4 摩擦槽痕及密封衬套调整示意图
图5 衬套固定和调整螺栓示意图 |
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