土压平衡盾构刀盘中心回转接头修复技术

劳懿斌

（上海城建市政工程（集团）有限公司机械施工分公司，上海 200065）

1 概述

刀盘中心回转接头安装于刀盘中心后部并随刀盘同步旋转，是刀盘前方土体改良添加液若干压注管道和刀盘液控仿形刀液压管道的转接枢纽。由于现代隧道施工常常遇到复杂地层及小曲率半径的隧道线形，土体改良系统和仿形刀的正常工作与否往往成为工程顺利进行的关键之一，对刀盘中心回转接头的密封可靠性提出了较高的要求。刀盘中心回转接头出现的问题主要是密封失效，在含砂量较多的地层中长期使用，刀盘中心回转接头的密封部件极易磨损，在掘进过程中若出现失效基本上无法修复，需要在盾构掘进前进行保养或更换。

中心回转接头是非标定制的设备，盾构制造商的设计没有统一的标准，进口盾构在掘进一段距离后，必须重新向盾构制造商进口整套部件进行更换，费用高，采购周期长。因此，对进口盾构的刀盘中心回转接头进行功能修复势在必行。本文将通过一个实例，简单介绍刀盘中心回转接头的工作原理及修复关键技术。

2 工作原理与损坏形式

2.1 工作原理

刀盘中心回转接头由旋转分配轴、外壳体和若干组密封圈组成，旋转分配轴与刀盘相连接并跟随刀盘同步旋转，而外壳体则固定于盾构的密封隔仓板上，如图1所示。轴与外壳之间按照刀盘旋转速度做相对运动，转速一般在0.3转/min～3转/min之间。

图1 刀盘中心回转接头示意图

中心回转接头通常至少有三路添加材料通道，额定工作压力3 MPa；四路仿形刀液压通道，额定工作压力21 MPa；两路润滑油脂通道，工作压力3 MPa。土仓内的土砂及各路流体介质之间，由若干非标密封圈相隔离。

2.2 损坏形式

在实践中人们发现，刀盘中心回转接头的损坏形式主要包括：（1）土砂密封失效，土砂侵入到轴承部件，使得轴承卡死；（2）旋转分配轴被隔仓间的密封圈磨出一道道沟槽，使各个通路的密封性降低，情况严重时发生穿通，特别是泥浆液体穿通到液压通道，使仿形刀失效；（3）外筒体与轴体互相咬死；（4）管路堵死，使得仿形刀失效，或者使得添加剂无法注入土体。

3 主要部件的修复方案

3.1 土砂密封的修复

原设计采用了一道防尘圈，两道密封圈的设计。如表1所列、

表1 土砂密封形式一览表

在施工过程中，由于土砂密封失效，土砂突破了1道防尘圈、2道Y型密封圈的阻拦，进入到轴承处。使得轴承失效。并最终侵入到了中心回转接头本体，使得中心回转接头卡死。

原因分析：由于这种盾构机的中心回转接头的土砂密封比较简易；在一条隧道的推进过程没有润滑油脂的补充，在含砂量较大的复杂地层中，极易造成密封件磨损。因此，对密封形式和结构进行了优化改进（见图2）。

图2 土砂密封的修复示意图

如图2（b）所示，原来的1道防尘圈、2道轴用Y型密封圈的形式，只是套用油缸的密封圈，是标准件；改制后采用非标定制的唇口式专用土砂密封，类似刀盘驱动体的土砂密封，耐久性和适用性均大大提高。另外、专门增加工作压力在2MPa左右的集中润滑油脂，用于在盾构推进过程中补充润滑油脂。另外，对于非标唇口式密封圈的材质选择，由于丁晴橡胶（NBR）特点是：耐汽油和脂肪烃油类的性能特别好，气密性、耐磨及耐水性等均较好，糌结力强。缺点是耐臭氧性差弹性及耐酸性较差。比较适合盾构机设备的使用状况、工作环境。因此可选用邵氏硬度为80以上丁晴橡胶作为非标唇口密封的材质。

3.2 旋转分配轴的修复

原设计主要要求：直径方向公差h6；表面光洁度 0.4；同心度0.021。

在使用过程中发现，由于外壳的材料和旋转分配轴的材料是同牌号的材料，并且间隙较小，因此造成两种材料发生亲合作用而烧咬损伤积瘤（形成了很毛糙高低不平的凹槽）后粘连烧死现象。另外、密封圈在中心轴上碾磨成了沟槽，造成密封性变差引起泄漏。

修复方案如下：

（1）对旋转分配轴先进行退铬处理。

（2）对旋转分配轴再进行冷焊焊补（可防止旋转分配轴变形）。

（3）对旋转分配轴进行镀硬铬处理。

（4）按配合尺寸对旋转分配轴进行磨削处理。

（5）对旋转分配轴进行钳工处理（每道工序进行检查）。

修复前后情况如图3所示。

图3 修复前后的旋转分配轴实景

3.3 组合式外筒体连接块A和外筒体连接块B的修复

原设计主要要求：内孔公差：+0.55～+0.65；凸榫：光洁度1.6、公差0～-0.006。

实际损坏情况为外壁锈蚀，内孔局部磨损。

修复方案如下：

（1）对外筒体连结块A的内孔进行柔性磨削。如图4所示。

图4 连接块A内孔柔性磨削实景

（2）对外筒体连结块B的内槽进行修复，使损伤的部位达到合图纸上的要求。

（3）检查修理后外筒体连结块B的各部位的尺寸和表面粗糙度。如图5所示。

图5 修复后的连结块B

3.4 组合式外筒体连接块C

原设计主要要求：内孔公差：+0.12～+0.15；榫槽：光洁度1.6、公差0～+0.009。

由于外筒体连接块3和中心轴是相同的牌号，因此在使用中造成烧咬的现象。

修复方案如下：

（1）对外筒体连结块C的内孔改装加槽，如图6所示。

图6 外筒体连结块C加工沟槽后实景

（2）对外筒体连结块C的内孔加装耐磨的填充材料，如图7所示。

图7 外筒体连结块C加装耐磨环后实景

（3）对外筒体连结块C的内孔加装耐磨的填充材料进行加工到与旋转分配轴外圆的配合尺寸。

4 组装与试压

如图8所示，所有部件修复及检测合格后，采用全新密封圈及轴承部件，完成刀盘中心回转接头的装配，然后分别用油堵工装堵塞油口，每个油口进行试油压，试验压力21 MPa，保压30 min应无泄漏现象（同时转动回转接头）。每个水口进行试水压，试验压力3 MPa，保压30 min应无泄漏现象（同时转动回转接头）。

图8 压力测试现场

5 总结和改进

采取本文所述的修复及优化改进措施，刀盘中心回转接头的密封可靠性和土体适应性分别得到了提高和拓展。在实际使用中，通过增加集中润滑系统，如图9所示，进一步提高了刀盘中心回转接头的密封可靠性，同时，有效地延长了其实际使用寿命。

图9 集中润滑示意图

刀盘中心回转接头是土压平衡盾构功能得到充分发挥的关键部件，建议不仅在施工过程中需要精心维护，而且在区间隧道推进结束后应进行有效的拆卸保养或维修，以确保盾构在下一区间隧道推进中保持原有的设计性能。