0 引言
TBM 施工工法在我国广泛地应用于城市地铁、山岭隧道及引水隧道工程中。通常情况下，由于TBM 施工距离长，隧道埋深大，故主轴承密封系统一旦出现故障，洞内维修困难，所以要求主轴承密封系统要有很高的可靠性。主轴承密封作为TBM 的关键部件，正常使用时，通过注入油脂对密封进行润滑，但即便这样仍会在滑道上磨出凹槽。当滑道被磨损到一定程度时，水及渣土进入主轴承，导致主轴承加速磨损而提前失效。
目前，国内对于主轴承密封系统的研究较多。如文献［1］分析了TBM 密封系统失效的原因; 文献［2 －5］提出了轴承密封损坏后的维修方法; 文献［6］和文献［7］从装配、状态监测、操作维护等方面提出了提高密封系统可靠性的措施。
本文从提高密封滑道耐磨性入手，通过对不同材料属性的对比分析，选择一种耐磨性能更优的材料代替传统耐磨滑道。根据材料特性，对驱动密封滑道进行新设计，并提出新工艺，进而提高密封滑道的耐磨性及可靠性。通过实际工程案例，验证设计方法的可行性。
1 司太立( Stellite) 合金
TBM 驱动密封系统常选用唇形密封。为增加密封滑道的耐磨性，常使用淬火碳钢作为耐磨滑道，要求淬火碳钢表面硬度为55 ～ 60 HＲC，且硬度均匀。司太立耐磨滑道安装见图1。TBM 密封滑道直径较大，一般的淬火工艺很难达到要求。
司太立合金是以钴、铬、钨为主要元素的银白色合金，该合金具有良好的耐滑动磨损性及抗咬合性［8］，摩擦系数较低［9］。司太立钴基合金与调质后的SAE1090( 相当于85 弹簧钢) 耐磨性对比见表1［10］。
司太立合金具有良好的耐磨性，已广泛地应用于工业领域，但是该材料较普通碳钢价格高，一般只作为表面硬化、耐磨材料。大型零件使用司太立合金提高耐磨性，都是通过在工作表面进行堆焊。目前，表面堆焊技术较成熟，但需要专门的焊接设备和具备相应经验的专业焊接技术人员操作，且焊接工艺复杂［11 － 12］。TBM 密封滑道结构为简单圆环状，滑道受力小，使用过程中只需要表面1 ～ 2 mm 具有耐磨性，其余部分只起支撑作用。因此，在设计TBM 主轴承密封系统时，可将司太立薄板焊成圆环，过盈配合装配到支撑圆环上( 见图1) ，这样既可以保证滑道表面的耐磨性，又可以节省专业设备、人员及加工费用。
图1 司太立耐磨滑道安装
表1 司太立合金与SAE1090 耐磨性对比
2 耐磨滑道设计计算
2． 1 耐磨滑道内径计算
耐磨滑道与密封支撑环间需要有一定的过盈量，该过盈量不仅可以使滑道紧贴在支撑环上，防止滑道移动，还可以避免滑道表面凸起及凹坑，使密封与滑道能均匀接触。如果过盈量选择偏小，使用过程中，由于温度升高、振动等原因会导致耐磨滑道脱落; 而过盈量选择过大，会导致耐磨滑道安装困难，或安装后耐磨滑道受张力过大而断裂。因此，需要对耐磨滑道的内径进行精确计算。
设耐磨滑道支撑环外径为D，耐磨滑道内径为d，则滑道热装到支撑环后的伸长量
此时，司太立耐磨滑道所受的应力
此应力σ 应小于司太立材料的屈服强度σs。为了防止安装后耐磨滑道因张力过大而断裂，取安全系数s，计算得到耐磨滑道的内径为
所以，滑道支撑环与耐磨滑道间的过盈量
2． 2 耐磨滑道热装温度计算
耐磨滑道热装时，若加热温度过低，则热膨胀量不够，无法安装; 若加热温度过高，会使合金材料内部组织结构发生变化，从而影响耐磨性能。耐磨滑道热装温度计算公式为
式中: α 为司太立材料线膨胀系数; δ 为热装时的间隙，一般取直径D 的0． 9‰～1． 4‰［13］; T0为环境温度。
3 耐磨滑道加工及安装工艺
3． 1 司太立耐磨滑道拼接主要工艺
根据上述计算，将合金材料焊接成圆环，薄板在焊接试验过程中，通常会出现焊缝缩根、焊缝错台、焊缝弯曲与焊缝扭曲等缺陷［14 － 15］，见图2。唇形密封要求滑道表面具有较高的圆度及光洁度，合金材料自身表面粗糙度可以满足要求，但滑道焊缝处需要打磨及抛光。另外，由于驱动密封系统的重要性，因此，每条焊缝必须经过严格探伤。
图2 耐磨薄板焊接缺陷
通过不断地改进焊接试验，总结出以下焊接方法，实现对焊缝质量的控制。
1) 设计工装，用于压紧薄板，防止焊接过程中发生变形;
2) 焊接前将压紧工装及耐磨薄板一同预热至40 ～ 60 ℃，防止焊接后温度降低过快;
3) 焊材使用耐磨性与韧性较好的司太立钴基6号焊丝;
4) 采用单面焊接双面成型的焊接工艺;
5) 在正式焊接前，先在薄板两端及中间多处点焊，整个焊接过程采用氩弧焊接;
6) 焊接过程中注意控制焊接电流，电流太大容易造成大的焊接变形，电流太小容易焊不透，根据实际焊接效果，控制焊接电流在50 A 左右;
7) 整个工装及焊缝需石棉保温冷却后，再拆卸工装;
8) 检查焊接成形质量，要求薄板无错台及弯曲变形;
9) 焊缝打磨后测量硬度，要求焊缝处硬度不低于40 HＲC;
10) 对打磨后的焊缝进行ＲT 探伤，要求焊缝处无气孔、焊渣、缩孔等缺陷，之后对焊缝进行抛光。
3． 2 司太立耐磨滑道热装主要工艺
耐磨滑道热装过程中，要注意环件厚度小、温度降低速度快的特点，安装过程要求一次性快速完成。主要工艺如下:
1) 热装场地选择在空气流动相对较小的区域;
2) 根据外界环境温度，可将支撑环适当预热至20 ～ 30 ℃;
3) 由4—6 人使用加热枪多点均匀加热薄环件，加热温度为150 ～ 300 ℃;
4) 耐磨滑道加热到要求温度后，由4—6 人使用钳子将耐磨滑道抬至支撑环上方10 cm 处，停止加热后，立即同时将滑道放置到位，要求动作快而准确;
5) 检查耐磨环是否安装到位，检查耐磨环与支撑环间是否存在间隙，要求耐磨环与支撑环紧密贴合，不得有缝隙。
4 工程实例
以重庆地铁6 390 mm 敞开式TBM 为例，该TBM最大推力17 888 kN，额定扭矩4 054 kN•m，刀盘最高转速10． 3 r /min。外密封滑道支撑环直径D = 5 400mm。司太立密封滑道薄板厚度为2 mm，弹性模量E =219 GPa，线膨胀系数α = 14． 1 × 10 － 6 m/m℃，屈服极限σs = 632 MPa，设环境温度为20 ℃，取热装间隙δ =1． 4‰D，安全系数s = 2． 8。根据式( 4) ，计算得到拼圆环后密封滑道内径d = 5 394． 44 mm。根据式( 5) ，计算得到滑道热装前，需要的最终加热温度T = 192 ℃，实际操作时，加热温度在200 ～250 ℃。
按照以上计算结果及工艺进行焊接及热装，并对焊缝进行ＲT 探伤，图3 显示焊缝无焊接缺陷，满足要求。密封滑道热装后，整个密封滑道与支撑环紧密贴合，安装效果良好，见图4。
图3 耐磨滑道焊缝探伤
图4 密封耐磨滑道热装效果
安装有司太立耐磨密封滑道的TBM 在地铁工程中掘进，该设备主要穿越了砂岩及砂质泥岩地层，岩石中等风化，围岩单轴抗压强度40 ～ 82 MPa。掘进3． 7 km 出洞后，拆机检查主轴承密封滑道，耐磨滑道使用效果见图5。滑道最大磨损深度不超过0． 05 mm，几乎无磨痕，大大提高了密封系统的可靠性及滑道的耐磨性。
图5 密封耐磨滑道使用效果
5 结论与讨论
由于计算合理、工艺措施得当，成功地将耐磨滑道安装到支撑环上，降低了大直径TBM 密封滑道制造成本及难度。实际工程掘进使用效果验证了该主轴承密封滑道具有良好的耐磨性。利用司太立耐磨薄板制作耐磨滑道，可提高主轴承密封系统的可靠性与寿命。
摘自：隧道建设