盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)支撐環(huán)耐磨帶技術(shù)研究

曾勇軍

(中國鐵建重工集團(tuán)有限公司 湖南長沙 410100)

1 引言

盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)是城市地鐵及地下隧道施工中的重要設(shè)備，盾構(gòu)施工是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程[1]，采用盾構(gòu)機(jī)施工，大大加快了隧道掘進(jìn)速度，減輕了施工難度，其施工效率及質(zhì)量雙高、施工過程更加安全，已成為地下施工首選方案[2]。盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被稱為盾構(gòu)機(jī)的“心臟”[3]，主驅(qū)動(dòng)密封就是“心臟的隔膜”，其直接接觸渣土并阻止泥渣進(jìn)入主驅(qū)動(dòng)內(nèi)部。

目前，盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)密封環(huán)主要以調(diào)質(zhì)后的42CrMo鍛件為原料加工制造而成。密封滑道面經(jīng)過表面淬火處理，制造周期長、成本高，耐磨性能使用壽命有限，難以滿足盾構(gòu)機(jī)的不斷發(fā)展對密封要求更耐磨、更長壽命、更換成本低的需求。

本文就某大直徑盾構(gòu)項(xiàng)目盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)支撐環(huán)密封滑道需要持久耐磨的要求，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、工藝制作等方面進(jìn)行分析，對其密封滑道方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，尋找一種更耐磨的材料并提出新的工藝方案，通過試驗(yàn)效果及實(shí)際工程案例效果判斷其方案實(shí)用性，達(dá)到節(jié)省專業(yè)設(shè)備、人員、加工費(fèi)用，適應(yīng)工地安裝。

2 外密封支撐環(huán)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)支撐環(huán)密封滑道結(jié)構(gòu)為圓環(huán)狀，唇形密封件與圓環(huán)外周緊密接觸達(dá)到動(dòng)密封的效果，耐磨帶包裹支撐環(huán)形成耐磨滑道，耐磨帶主要受渣土及唇形密封帶重復(fù)摩擦，使用過程中需要表面具備高耐磨性，因此，設(shè)計(jì)主驅(qū)動(dòng)外密封系統(tǒng)時(shí)，可選擇一種耐磨材料焊接成圓環(huán)，過盈配合裝配到支撐環(huán)圓環(huán)上，這樣滿足了滑道高耐磨性的要求，節(jié)省了加工費(fèi)用，使密封支撐環(huán)免遭磨損，很大程度上提高了支撐環(huán)的使用壽命，使主驅(qū)動(dòng)支撐環(huán)可重復(fù)使用。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 耐磨帶結(jié)構(gòu)示意

3 密封環(huán)耐磨帶材料

為滿足主驅(qū)動(dòng)支撐環(huán)耐磨性，常在支撐環(huán)的外表面進(jìn)行表面淬火，要求淬火后表面硬度大于55 HRC，且硬度均勻，但隨著盾構(gòu)機(jī)直徑的增大，主驅(qū)動(dòng)密封環(huán)表面淬火工藝很難達(dá)到要求。

SK5鋼為高級碳素工具鋼，冷作模具鋼，含碳量為0.6%以上的高碳鋼，淬火后使用硬度50～60 HRC，該鋼具有較高的硬度，耐磨性優(yōu)良，滿足耐磨性要求。

SK5鋼帶廣泛用于因滑動(dòng)摩擦需高硬度和耐磨損性的模具零配件，如導(dǎo)銷、襯套、頂出銷等。也用于加工木材用刃具、冷鐓模、亂刀、銼刀等，應(yīng)用成熟。

使用SK5鋼帶焊接而成的圓環(huán)完全能滿足主驅(qū)動(dòng)密封環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。

4 支撐環(huán)密封耐磨帶設(shè)計(jì)計(jì)算及制作

耐磨帶與密封支撐環(huán)通過過盈配合結(jié)合在一起，主驅(qū)動(dòng)工作時(shí)，耐磨帶不允許滑動(dòng)，同時(shí)保持耐磨帶拉伸狀態(tài)下不產(chǎn)生塑性變形，通過計(jì)算可得此過盈量，設(shè)計(jì)耐磨帶時(shí)取其范圍內(nèi)數(shù)值即可。在支撐環(huán)旋轉(zhuǎn)情況下，唇形密封圈會(huì)在耐磨環(huán)上產(chǎn)生摩擦力矩，過盈產(chǎn)生的彈性壓緊力須抵消摩擦力矩，所以過盈量最小值為不能使耐磨帶工作狀態(tài)下滑動(dòng)時(shí)的過盈量。但過盈量選擇也不能過大，在安裝完成耐磨帶后，過盈量過大使耐磨帶產(chǎn)生無法恢復(fù)的塑性變形，影響耐磨帶機(jī)械性能或因張力過大而發(fā)生斷裂，因此需要對耐磨帶過盈量范圍進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)完成的耐磨環(huán)過盈量應(yīng)處于此范圍內(nèi)。

由于被包容件厚度遠(yuǎn)大于包容件，支撐環(huán)表面剛性遠(yuǎn)大于耐磨帶鋼性，經(jīng)計(jì)算，同等受力下，其直徑變化量可忽略不計(jì)。將包容件(耐磨環(huán))的最大最小過盈量作為聯(lián)接件最大最小過盈量，被包容件可忽略。

現(xiàn)以為實(shí)驗(yàn)制作的耐磨帶及支撐環(huán)工裝為例進(jìn)行計(jì)算說明，后續(xù)都以此工裝尺寸進(jìn)行計(jì)算。

4.1 最大過盈量計(jì)算

包容件直徑比:

式中，df為結(jié)合面的基本直徑(mm)；da為包容件外徑(mm)。

包容件不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大結(jié)合壓力:

式中，σsa為包容件屈服極限，實(shí)驗(yàn)測得1 200 MPa。包容件不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大直徑變形量:

式中，Ea為包容件彈性模量，取22 000 MPa，νa為包容件泊松比，取0.3。

故此條件下聯(lián)接件不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大有效過盈量為21 mm。

4.2 最小過盈量計(jì)算

耐磨帶傳遞轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩大小為摩擦力矩，耐磨帶上裝配3件唇形密封，故轉(zhuǎn)矩為:

式中，d0為軸直徑(cm)；F0為密封時(shí)軸圓周單位長度的摩擦力(N/cm)，其取決于摩擦面的表面質(zhì)量、潤滑條件、彈簧力等[4]，估算時(shí)可F0=0.3～0.5 N/cm，密封壓力較大者取上限，此處取0.3即可[5]。

傳遞荷載所需的最小結(jié)合壓強(qiáng)為:

式中，lf為軸直徑結(jié)合長度(mm)；μ為摩擦系數(shù)，取0.125。

包容件不產(chǎn)生塑性變形所允許的最小直徑變形量為:

故此條件下聯(lián)接件傳遞荷載的最小過盈量為0.108 mm。

耐磨帶聯(lián)接體過盈量為0.37～1.3，處于最小過盈量與最大過盈量之間，符合技術(shù)要求。

4.3 支撐環(huán)密封耐磨帶制作工藝

根據(jù)上述計(jì)算，確定并驗(yàn)證過盈量后，將SK5耐磨帶焊接成圓環(huán)。由于板薄且密封環(huán)在密封系統(tǒng)中的特殊要求，焊接難度較大，一是焊后焊縫質(zhì)量以及力學(xué)性能難以保證，二是耐磨環(huán)件設(shè)計(jì)要求尺寸無法控制，極易變形[6]。通過各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，改變焊接方式，調(diào)整焊接工藝規(guī)程，采用如下焊接方法及焊接控制要點(diǎn)，SK5順利焊接成焊縫質(zhì)量符合要求、尺寸偏差控制良好、焊縫表面光滑平整的圓環(huán)。主要焊接規(guī)程如下:

(1)采用閃光對焊[7]焊接工藝。

(2)耐磨帶接縫處焊接前呈現(xiàn)多毛刺狀態(tài)，增加焊接時(shí)接觸點(diǎn)。

(3)按閃光對焊焊接接頭焊后收縮規(guī)律，控制耐磨條下料長度，保證焊后圓環(huán)尺寸。

(4)檢查焊縫處平整度，焊縫連接良好，無凹凸不平現(xiàn)象，不平整處打磨平整。

(5)打磨連接處焊縫表面，測量焊縫處表面硬度不低于50 HRC。

(6)打磨焊縫進(jìn)行RT探傷，RT探傷合格。

5 支撐環(huán)密封耐磨帶熱裝工藝設(shè)計(jì)

零件需要均勻加熱且加熱后應(yīng)避免生銹，故適合采用油液進(jìn)行加熱[8]。傳統(tǒng)加熱方式勞動(dòng)強(qiáng)度大，安全性差，故加熱方式采用電阻加熱方式，便于控制[9]。耐磨帶制作好后通過加熱膨脹裝入支撐環(huán)中，由于環(huán)件具有壁厚極薄(1.25 mm)、降溫速度快的特性，通過計(jì)算確定加熱溫度及保溫時(shí)間，制定合理現(xiàn)場熱裝工藝。

5.1 加熱溫度的計(jì)算

(1)SK5為鋼制零件，取線膨脹系數(shù)a=11×10-6m/℃。

(2)查得，取經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的最小比值，計(jì)算結(jié)合直徑裝配最小間隙Δ2=3 540×1/1 000=3.54 mm。

(3)被包容件(實(shí)驗(yàn)法蘭環(huán))保持室溫不變，加熱包容件(耐磨環(huán))進(jìn)行加熱，被包容件外徑尺寸公差，包容件內(nèi)徑尺寸公差，故熱裝時(shí)的最大過盈量Δ1=1.3 mm。

(4)取環(huán)境溫度t=15℃，故熱裝時(shí)的加熱溫度tn=(Δ1+Δ2)/adf+t=(1.3+3.54)/11×10-6×3 540+15=139 ℃[10]。

(5)材料退火溫度180℃，加熱溫度低于引起材料材質(zhì)變化的溫度，加熱到139℃對SK5材料性能無影響。

5.2 加熱時(shí)間和保溫時(shí)間的確定

加熱和保溫時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，一般可按每厚10mm需要10 min的加熱時(shí)間，每厚40 mm需要10mim的保溫時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。

故加熱和保溫時(shí)間為:

tm=(1.25/10)×10+(1.25/40)×10=1.56 min

用油加熱零件的加熱溫度比所用油的閃點(diǎn)低20～30℃，選擇一般齒輪油即可。

5.3 熱裝工藝

(1)熱裝場地選擇標(biāo)準(zhǔn)廠房內(nèi)，室內(nèi)溫度與室外溫度一致，空氣流動(dòng)相對較小[11]，同時(shí)采取必要安全措施。

(2)使用提前制作好的密封性良好的環(huán)形密封槽進(jìn)行加熱，倒入齒輪油，剛好漫過耐磨環(huán)即可，油液加熱保證了耐磨帶均勻受熱，加熱溫度至150～160℃，保溫2 min。

(3)人員穿戴好耐熱工裝提前在周圍分散均勻排開，待耐磨環(huán)加熱到要求溫度后，由2～3人使用鉗子將耐磨環(huán)提出加熱槽后，迅速由6～8人使用石棉手套捏緊耐磨環(huán)提升至支撐環(huán)上端面均勻展開，立即同時(shí)將耐磨帶放置到位并下放，要求動(dòng)作快而準(zhǔn)確，耐磨帶順勢滑入[12]。

(4)使用小皮錘敲擊耐磨環(huán)，待耐磨環(huán)安裝到位，冷卻后檢查耐磨環(huán)與支撐環(huán)是否緊密貼合，檢查無縫隙即可。

6 總結(jié)與應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)中，通過合理的計(jì)算，完善的工藝措施，成功地將耐磨帶熱裝至支撐環(huán)上，順利完成了耐磨滑道設(shè)計(jì)安裝，驗(yàn)證了密封環(huán)材料符合工藝要求，密封環(huán)制作工藝可行，裝配工藝適用，降低了盾構(gòu)密封環(huán)制造成本及裝配難度。某實(shí)際工程掘進(jìn)使用效果驗(yàn)證了該SK5制作的主驅(qū)動(dòng)密封環(huán)耐磨性良好，適應(yīng)復(fù)雜工況要求，順利完成掘進(jìn)任務(wù)。