随着盾构施工技术的日渐成熟,盾构机作为核心设备被越来越多的投入到地铁、高铁隧道施工中。针对济南黄河隧道施工中,使用的超大直径复合式泥水平衡盾构机盾构机主驱动密封失效问题,经过现场检查、制定方案,最后在粉质黏土地层中采用带压进仓方式,成功完成了超大直径盾构机主驱动密封的更换,国内首次实现了自主带压进仓更换主驱动密封,具有较为深远的意义。

为解决盾构主驱动密封系统在掘进过程中失效,造成主驱动、主轴承或齿轮损坏的问题,以某系列土压平衡盾构主驱动密封系统的结构和工作原理为基础,首先,采用适用于现场施工条件的主驱动密封气压检测技术,即分别向内、外密封各腔体内通入100k Pa压缩空气,保压30 min后,压降值在允许范围内为合格,超出为不合格,进而判定主驱动密封是否失效。然后,结合现场经验和理论分析,从设计、装配、操作、磨损4个方面对密封失效的原因进行分析,得出装配不合格、操作不当和正常磨损等问题均是目前最常见的密封失效原因。最后,针对密封失效原因,分别从设计、安装、操作、日常维保等各个环节进行预防把控,以保证主驱动密封系统达到设计使用寿命。

为从不同工况、动态、静态等状态下分析主驱动密封润滑系统对主驱动轴承的保护效果,提出一些可以供掘进机主驱动设计、使用参考的建议。首先,制作透明的主驱动密封油脂扩散装置,通过油脂计量阀进行油脂注入,分别设置不同的迷宫长度、迷宫间隙和润滑量,进行油脂扩散弧长的计量,从而验证油脂的扩散与主驱动迷宫设计对主驱动保护的异同。然后,以某主驱动润滑系统模拟试验台为基础,采用不同的密封润滑剂形式、润滑剂量和刀盘转速相结合,从不同角度对主驱动密封的温度上升原因进行分析,并提出合适的密封工作温度建议。最后,针对部分TBM机型密封失效原因进行分析,并提出可以根据不同机型进行主驱动密封润滑系统设计的思路,以保证主驱动密封系统的良好性能。

为提升盾构主驱动密封系统的密封性能和使用寿命,在分析盾构主驱动密封常见失效形式和失效原因的基础上,针对现有盾构密封系统的布局、结构设计和安装工艺的不足,总结提出密封安装结构设计优化和密封安装工艺优化的方案,以提升主驱动密封系统的密封性能,保障盾构施工安全稳定。以目前广泛应用的唇形密封为例,就工作压力对密封系统的影响规律进行建模分析。研究发现:1)密封唇口的变形量主要受压力差影响;2)密封隔环设置支撑对密封的承压能力、使用寿命和防止密封翻转有改善作用;3)通过构建背压,形成合理的压差,能够提高密封系统整体的承压能力;4)并联安装中间环的方法,可有效解决因外载压力过大导致密封翻转、进而密封系统整体失效的问题。

为解决隧道掘进机主驱动高压密封技术难题,指导高压工况下密封系统参数设计,通过搭建Φ5 m级主驱动密封试验台,采用静态试验与动态试验相结合的方法,验证密封试验台的可行性,并深入研究转速、承压状态与冷却水流量对唇形密封与聚氨酯密封2种高压密封系统运行温度的影响。结果表明:1)静态试验下,高压密封系统逐级加压至2 MPa可保持稳定,验证了2种密封系统的高承压能力;2)唇形密封与聚氨酯密封的动态试验显示,高转速会降低承压密封的稳定性,在高压下影响显著增强;3)转速对密封系统温度有较大影响,与密封系统温升呈正相关,并且承压越高,密封系统温升越大;4)2种密封系统在转速1.5 r/min附近可均衡系统稳定性与发热量要求,聚氨酯密封结构的冷却水流量控制在50 L/min较优。

盾构机主驱动密封系统是盾构机的关键系统之一,主驱动密封圈性能直接影响盾构机的性能。对影响盾构机主驱动密封性能的唇形密封圈主要结构参数建立正交试验方案,利用有限元分析软件ABAQUS建立盾构机主驱动密封圈工作过程中开启压力差及接触宽度的计算方法,并按照正交试验方案对开启压力差及接触宽度进行仿真计算,然后对计算结果进行方差分析。分析结果表明:唇形密封圈的唇高度和唇厚度对开启压力差有显著影响,唇曲度和唇高度对接触宽度有显著影响。根据密封要求与分析结果,选取唇曲度为17 mm,唇高度为22.35 mm,压缩量为7.1 mm,唇厚度为5 mm的密封圈结构为最适结构,结构优化后开启压力差降低33%,接触宽度降低23%。

泥水平衡式盾构机主驱动四道唇形密封组合承压能力一般不超过0.6 MPa,无法满足设备在大于0.6 MPa的高水压工况下的安全施工需求。据此,设计了基于压差控制的泥水平衡式盾构机主驱动密封气动自动保压系统。该系统可将现有唇形密封承压能力提高至0.8 MPa,并可自动实现加压、泄压,无需人为参与,降低工人劳动强度。对该系统进行了仿真分析和实验验证,结果表明,该系统设计合理,控制精度高,安全可靠,可满足泥水盾构机在0.8 MPa高水压工况下主驱动的密封要求。

试验台模拟了盾构机主驱动密封的工作环境,为解决现有的实验装置无法实现使密封圈在左右两腔不同压力点的工作状态,对试验台液压控制系统进行研究。介绍其液压系统的原理组成及其加载装置和动力装置。动力装置通过调节变量泵的排量改变液压马达的转速,以及控制电磁换向阀实现正反转;加载装置通过比例减压阀对油缸输出压力,使波纹管压缩,经由高压液压软管总成对实验容器左右两腔分别加压。并通过AMESIM对以比例减压阀为核心的闭环控制系统进行仿真分析。最终结果表明该控制系统可以满足实验要求。