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轴承知识

TBM轴承设计与制造中的挑战与解决方案

2019-08-28
  如今的隧道工程越来越多地应用现代化的掘进机(TBM),而掘进机的顺利掘进则依赖于其关键部件——轴承与密封的持久可靠。来自瑞典轴承制造商SKF(斯凯孚)的专家便来和大家聊聊这些关键部件在设计、运行与维护中的挑战,以及相关的解决方案。
  轴承与密封的设计挑战
  由于TBM未配备倒档,因此隧道掘进一旦开始便无回头路;若掘进过程中出现问题,进入TBM内维修将是复杂、耗时且昂贵的工作,更换安装在TBM内部的回转轴承与密封尤其如此。作为TBM的核心部件,回转轴承与密封一旦发生故障,更换将导致数月的工期延误与数百万美元的经济损失。
  对设计工程师而言,隧道工程中极端恶劣的条件给这些部件的可靠性与耐用性带来了极大的挑战,包括低速旋转,高静态荷载与冲击荷载,以及肮脏、潮湿的环境,都将加速部件的磨耗与损坏。
TBM内部结构
  西雅图SR99隧道工程中,直径17.45m的土压平衡盾构Bertha便是由于主轴承密封损坏,最终导致了长达两年的更换与工期延迟。
滚刀轴承
  大型TBM配备大量滚刀,在滚子轴承上旋转。实际掘进中,轴承承受高瞬态荷载;当刀具切削硬岩、岩层破裂时,荷载急剧变化。滚刀转速取决于其在刀盘的位置,通常在10~20rpm。随着TBM直径不断增大,滚刀直径也相应增加,从多年前的13英寸标准增加至17甚至19英寸。
滚子轴承
  设计挑战
  滚子轴承位置使其易在运作中遭到损坏,加之频繁遭受极端冲击载荷,制造时便需充分考虑不均匀荷载以及滚子、滚道表面的高局部受力。同时,为防止轴承失效,需避免滚道断裂,导致单把滚刀阻塞、进而引发刀盘上其他滚刀的损坏。
  ■利用有限元分析工具,优化设计关键参数,提供最佳性能;
  ■设计时针对形状、材料与表面处理进行调整;
  ■对滚道几何形状的小幅调整便会对其不规则载荷承受能力产生较大影响;
  ■精确的表面硬化可使滚道保持足够表面硬度的同时保持内芯的韧性,防止断裂。
  制造挑战
  测试滚刀轴承时无法100%模拟繁复的实际工况,因此:
  ■评估轴承设计时,需要结合经验与计算机模拟结果;
  ■对从磨损的滚刀上拆下的轴承进行分析,也能为新滚刀轴承的设计提供有效的信息。
  应用挑战
  由于滚刀的更换在地下进行,因此其结构必须较为简单,使更换需要较少的时间、人力与专业工具。
  ■轴承的使用寿命也与适当的预荷载有关,需要在安装轴承时设定。
  ■实际施工中,操作员在现场评估轴承预载荷的能力有限,需依赖在组装期间测量的扭矩。
  ■为了帮助操作员完成装配,滚刀轴承具有严格的尺寸公差,确保安装扭矩和预荷载接近。
  ■其他因素包括安装水平、润滑情况等。
  回转轴承
  回转轴承作为整个TBM最关键的轴承,是齿轮传动与刀盘转动之间的连接件,并承受隧道掘进中的巨大荷载,其设计与制造要求更高。
回转轴承
  设计挑战
  制造商可以根据TBM直径,预期的地质条件和整个设备的结构使用不同的轴承形式,对其进行高度定制。
  ■通过专用设计与优化软件,对滚动元件,保持架,滚道,驱动齿轮等完整轴承结构进行建模,在给定的负载条件下精确计算轴承与齿轮的使用寿命。
  ■特殊情况下,滚道中可加入弹簧,以应对硬岩中的冲击荷载。
  制造挑战
  大直径TBM的回转轴承的制造也给运输、装配与维护带来了挑战:
  ■轴承可作为整个部件进行运输,也可以拆分为包括密封系统在内的多个独立组件,运至现场安装;
  ■轴承可以分段制造,在TBM故障时便于运输,安装或更换。
  ■除TBM主轴承外,还有用于螺旋机的特殊回转轴承。
  轴承密封
  回转轴承依靠适当的润滑与保护维持使用寿命,因此保护轴承免受隧道掘进中的恶劣环境影响的密封同样是TBM的关键部件。
轴承密封
  设计&制造挑战
  与回转轴承本身一样,主轴承密封同样需要针对项目进行优化,其功能包括:保持轴承润滑,阻隔外界水、泥浆与开挖土,并适应掘进中的偏移。
  ■制定材料,根据TBM尺寸确定并控制成品密封件的几何形状;
  ■轴承内通常使用多个串联的唇形密封件,在其间加入润滑剂。
  ■使用FEA荷载模拟确定偏移、加压、油脂冲洗与安装时的不同荷载情况。
  ■SKF开发了一种手持型专业焊接设备,可在不拆卸刀盘的情况下更换密封,减少停机时间。
 
FEA荷载模拟
  如今,为了施工装备的生命周期价值,建设者也在增加对于TBM组件的重复利用,降低成本,减少库存,同时保护环境。其中,TBM轴承的再制造是良好的选择。使用过的轴承返回专业的工厂或直接在工地进行清洁、拆卸与检查,在更换或修复磨损的部件后,对其进行检查记录,重新安装后即可再次投入工程应用。
(来源:隧道网)

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