TBM軸承設(shè)計(jì)與制造中的挑戰(zhàn)與解決方案
2019-08-28 如今的隧道工程越來越多地應(yīng)用現(xiàn)代化的掘進(jìn)機(jī)（TBM），而掘進(jìn)機(jī)的順利掘進(jìn)則依賴于其關(guān)鍵部件——軸承與密封的持久可靠。來自瑞典軸承制造商SKF（斯凱孚）的專家便來和大家聊聊這些關(guān)鍵部件在設(shè)計(jì)、運(yùn)行與維護(hù)中的挑戰(zhàn)，以及相關(guān)的解決方案。
軸承與密封的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
由于TBM未配備倒檔，因此隧道掘進(jìn)一旦開始便無回頭路；若掘進(jìn)過程中出現(xiàn)問題，進(jìn)入TBM內(nèi)維修將是復(fù)雜、耗時(shí)且昂貴的工作，更換安裝在TBM內(nèi)部的回轉(zhuǎn)軸承與密封尤其如此。作為TBM的核心部件，回轉(zhuǎn)軸承與密封一旦發(fā)生故障，更換將導(dǎo)致數(shù)月的工期延誤與數(shù)百萬美元的經(jīng)濟(jì)損失。
對(duì)設(shè)計(jì)工程師而言，隧道工程中惡劣的條件給這些部件的可靠性與耐用性帶來了極大的挑戰(zhàn)，包括低速旋轉(zhuǎn)，高靜態(tài)荷載與沖擊荷載，以及骯臟、潮濕的環(huán)境，都將加速部件的磨耗與損壞。
TBM內(nèi)部結(jié)構(gòu)
西雅圖SR99隧道工程中，直徑17.45m的土壓平衡盾構(gòu)Bertha便是由于主軸承密封損壞，最終導(dǎo)致了長(zhǎng)達(dá)兩年的更換與工期延遲。
滾刀軸承
大型TBM配備大量滾刀，在滾子軸承上旋轉(zhuǎn)。實(shí)際掘進(jìn)中，軸承承受高瞬態(tài)荷載；當(dāng)?shù)毒咔邢饔矌r、巖層破裂時(shí)，荷載急劇變化。滾刀轉(zhuǎn)速取決于其在刀盤的位置，通常在10~20rpm。隨著TBM直徑不斷增大，滾刀直徑也相應(yīng)增加，從多年前的13英寸標(biāo)準(zhǔn)增加至17甚至19英寸。
滾子軸承
設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
滾子軸承位置使其易在運(yùn)作中遭到損壞，加之頻繁遭受沖擊載荷，制造時(shí)便需充分考慮不均勻荷載以及滾子、滾道表面的高局部受力。同時(shí)，為防止軸承失效，需避免滾道斷裂，導(dǎo)致單把滾刀阻塞、進(jìn)而引發(fā)刀盤上其他滾刀的損壞。
■利用有限元分析工具，優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)，提供性能；
■設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)形狀、材料與表面處理進(jìn)行調(diào)整；
■對(duì)滾道幾何形狀的小幅調(diào)整便會(huì)對(duì)其不規(guī)則載荷承受能力產(chǎn)生較大影響；
■精確的表面硬化可使?jié)L道保持足夠表面硬度的同時(shí)保持內(nèi)芯的韌性，防止斷裂。
制造挑戰(zhàn)
測(cè)試滾刀軸承時(shí)無法99%模擬繁復(fù)的實(shí)際工況，因此：
■評(píng)估軸承設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合經(jīng)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果；
■對(duì)從磨損的滾刀上拆下的軸承進(jìn)行分析，也能為新滾刀軸承的設(shè)計(jì)提供有效的信息。
應(yīng)用挑戰(zhàn)
由于滾刀的更換在地下進(jìn)行，因此其結(jié)構(gòu)必須較為簡(jiǎn)單，使更換需要較少的時(shí)間、人力與專業(yè)工具。
■軸承的使用壽命也與適當(dāng)?shù)念A(yù)荷載有關(guān)，需要在安裝軸承時(shí)設(shè)定。
■實(shí)際施工中，操作員在現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估軸承預(yù)載荷的能力有限，需依賴在組裝期間測(cè)量的扭矩。
■為了幫助操作員完成裝配，滾刀軸承具有嚴(yán)格的尺寸公差，確保安裝扭矩和預(yù)荷載接近。
■其他因素包括安裝水平、潤(rùn)滑情況等。
回轉(zhuǎn)軸承
回轉(zhuǎn)軸承作為整個(gè)TBM最關(guān)鍵的軸承，是齒輪傳動(dòng)與刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)之間的連接件，并承受隧道掘進(jìn)中的巨大荷載，其設(shè)計(jì)與制造要求更高。
回轉(zhuǎn)軸承
設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
制造商可以根據(jù)TBM直徑，預(yù)期的地質(zhì)條件和整個(gè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)使用不同的軸承形式，對(duì)其進(jìn)行高度定制。
■通過專用設(shè)計(jì)與優(yōu)化軟件，對(duì)滾動(dòng)元件，保持架，滾道，驅(qū)動(dòng)齒輪等完整軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，在給定的負(fù)載條件下精確計(jì)算軸承與齒輪的使用壽命。
■特殊情況下，滾道中可加入彈簧，以應(yīng)對(duì)硬巖中的沖擊荷載。
制造挑戰(zhàn)
大直徑TBM的回轉(zhuǎn)軸承的制造也給運(yùn)輸、裝配與維護(hù)帶來了挑戰(zhàn)：
■軸承可作為整個(gè)部件進(jìn)行運(yùn)輸，也可以拆分為包括密封系統(tǒng)在內(nèi)的多個(gè)獨(dú)立組件，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)安裝；
■軸承可以分段制造，在TBM故障時(shí)便于運(yùn)輸，安裝或更換。
■除TBM主軸承外，還有用于螺旋機(jī)的特殊回轉(zhuǎn)軸承。
軸承密封
回轉(zhuǎn)軸承依靠適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑與保護(hù)維持使用壽命，因此保護(hù)軸承免受隧道掘進(jìn)中的惡劣環(huán)境影響的密封同樣是TBM的關(guān)鍵部件。
軸承密封
設(shè)計(jì)&制造挑戰(zhàn)
與回轉(zhuǎn)軸承本身一樣，主軸承密封同樣需要針對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化，其功能包括：保持軸承潤(rùn)滑，阻隔外界水、泥漿與開挖土，并適應(yīng)掘進(jìn)中的偏移。
■制定材料，根據(jù)TBM尺寸確定并控制成品密封件的幾何形狀；
■軸承內(nèi)通常使用多個(gè)串聯(lián)的唇形密封件，在其間加入潤(rùn)滑劑。
■使用FEA荷載模擬確定偏移、加壓、油脂沖洗與安裝時(shí)的不同荷載情況。
■SKF開發(fā)了一種手持型專業(yè)焊接設(shè)備，可在不拆卸刀盤的情況下更換密封，減少停機(jī)時(shí)間。
FEA荷載模擬
如今，為了施工裝備的生命周期價(jià)值，建設(shè)者也在增加對(duì)于TBM組件的重復(fù)利用，降低成本，減少庫(kù)存，同時(shí)保護(hù)環(huán)境。其中，TBM軸承的再制造是良好的選擇。使用過的軸承返回專業(yè)的工廠或直接在工地進(jìn)行清潔、拆卸與檢查，在更換或修復(fù)磨損的部件后，對(duì)其進(jìn)行檢查記錄，重新安裝后即可再次投入工程應(yīng)用。
（來源：隧道網(wǎng)）
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