盾构机安全轴断轴故障分析及应对措施

孙源鑫++邱林++齐鹏

摘 要：盾构机安全轴是连接主驱动减速机和大齿圈的关键部件，在大扭矩工况条件下可以起到保护减速机和大齿圈的作用。在沈阳地铁10号线某项目盾构机频繁出现了安全轴断轴故障，经过分析减速机连接主驱动结构件的螺栓紧固情况等因素，总结出在掘进期间维修保养和操作脱困的成功经验。

关键词：安全轴；螺栓预紧力；维修保养；脱困

引言

沈阳地铁十号线某项目盾构机刀盘主驱动安全轴出现四次断轴故障，每次故障均对戴纳米克进口减速机造成不同程度的损坏，共更换三台减速机。对于正在掘进施工的盾构机，维修主驱动减速机和更换安全轴极其困难，很难保证减速机装配精度，增加了机械故障发生的概率[1]。因此，在掘进期间从维修保养和操作脱困等方面采取积极有效的措施，可大大减少安全轴断轴故障发生的频率。

1 安全轴故障概况

1.1 安全轴断轴时的扭矩

按照盾构机设计要求，主驱动额定扭矩为5500kN·m，最大脱困扭矩为6840kN·m。根据盾构机操作系统保存的数据显示，发生断轴时盾构机刀盘扭矩均未超过理论设计的额定扭矩和最大脱困扭矩。

1.2 安全轴未起到安全保护作用

通过4次故障的损坏情况来看，安全轴都不是正常的损坏，断开的部位要么靠近减速机一侧，给减速机端部造成损坏或减速机断轴，要么靠近主轴承一侧，小齿轮和轴承有不同程度损坏。

2 影响安全轴断轴的主要因素

从刀盘工作扭矩的数据看，没有超过设计额定范围，那么就应该考虑其他因素的影响。从减速机与主驱动处的连接状况，在多次出现安全轴断轴事故后，盾构机施工现场连接减速器和刀盘的双头螺柱在掘进中出现松脱的问题。通过双头螺柱模拟件拧紧实验和减速机振动测试等手段，来观察减速机和主驱动的连接状况。

2.1 双头螺柱模拟件拧紧实验

在实验过程中使用与实际结构一致的模拟件作为被连接件，被连接件包含5层用来模拟多级减速器结构。实验将2根双头螺柱分别反复拧紧3次，每次扭矩从200Nm递增到880Nm，记录扭矩对应的预紧力大小。

通过实验数据发现，预紧力没有达到额定预紧力并且离散性较大，初步分析接合面表面粗糙度、形位公差、润滑条件、内外螺纹配合、拧紧次数、拧紧速度等因素容易影响螺栓的预紧力。因此，预紧力不足就直接导致减速机与主驱动的连接不紧，安全轴容易受到切向载荷影响[2]。

2.2 减速机振动测试

实验人员使用三向加速度传感器测试减速机-电机总成在掘进过程中的振动情况。加速度的测试位置分别为电机外壳、一级减速器外壳、刀盘背面。掘进参数如下：总推力18000kN、刀盘扭矩3800kNm、刀盘转速1.5rpm、掘进速度40mm/min。

通过观察不同位置的三向加速度信号，电机的三个方向加速度基本一致，变化范围为2g到-2g之间。一级减速器三方向加速度有了较为明显的差异，x方向（切向）加速度变化范围为1g到2g之间，z方向（切向）加速度变化范围为-0.5g到-1.5g之间。刀盘三方向加速度区别较大，x方向（切向）加速度变化范围为1g到2g之间，y方向（切向）加速度变化范围为0.5g到1g之间。

从电机到刀盘，轴向振动和切向振动幅度逐渐减小，但减速机附近的切向振动始终较大，使螺柱接合面产生滑移从而导致松脱。

测试结果表明：掘进时电机是减速机振动的重要来源，其切向振动是导致松脱的主要原因[3]。

3 施工现场应对措施

3.1 掘进施工的参数优化

由于沈阳地层主要为中粗砂、圆砾及粉质粘土，在长时间停机时为防止地面沉降需用渣土来保持土仓压力，而再次掘进时由于土仓压力较高，导致刀盘扭矩过大。而盾构机操作手不能有效的控制土仓压力或对渣土不能有效的改良导致扭矩过大而多次旋转刀盘，这样会对安全轴造成损害。

针对大扭矩的影响，首先解决好盾构正常掘进的参数问题，从操作控制和渣土管理方面治理大扭矩问题。其次，通过系统程序修改，限制已使用的盾构机的最大刀盘工作扭矩，下调至4300kN·m，同时禁止盾构机使用脱困模式。

3.2 现场应急维修

安全轴出现故障后，首先通过电机电流数据，确定哪一个电机没有扭矩输出，安全轴是否断开，避免出现故障后继续掘的进情况。

在组织抢修过程中，要严格按装配要求进行维修，关键步骤有：放出主驱动680齿轮油、拆解电机、拆解减速机、取出断在里面的安全轴、安装新的安全轴、装配减速机、装配电机、螺栓拧紧、扭矩测试、重新注油。

3.3 日常维修保养方面的预防措施

经过分析相邻两次故障的间隔时间，发现在最短间隔时间不超过100环，因此根据设备状态和生产需要，在日常维修保养工作中建立螺栓拧紧检查计划。要求以30环为时间节点，对减速机双头螺柱用扭矩扳手（900kNm）进行复紧，并将结果记录在工作档案中。

4 脱困过程中注意事项

在施工过程中，由于停机时间较长，而且停机过程中土仓内压力普遍较高，再次掘进时，刀盘无法启动，这时可采取如下办法使刀盘脱困[4]。

（1）由于土仓内压力较高，所以需要先进行排土，将土仓内压力降低。（2）启动刀盘，将刀盘转数调到正转0.1r/min，如果扭矩涨到额定扭矩的

60%（约4000kNm），刀盘仍无法启动，这时应停止启动，等待扭矩降为0。再将刀盘转数调到反转0.1r/min，如果扭矩涨到额定扭矩的60%（4000kNm），刀盘仍无法启动，则停止启动。根据实际推进的扭矩及沈阳地层（中粗砂，粉质粘土）情况，4000kNm扭矩就足以驱动刀盘，如果无法启动，也不要在尝试更高的扭矩，意义不大。（3）将推进油缸收回，收回根数根据实际情况确定（间隔式回收），目的是减小刀盘掌子面推力。再按上述启动刀盘过程进行尝试。（4）可通过泡沫喷射口，向刀盘前注入空气，减小刀盘掌子面推力，配合回收推进油缸。（5）刀盘长时间停机，再次启动时。切忌刀盘向同一方向连续多次大扭矩启动。（6）刀盘脱困有转数后，扭矩仍会较大，这时需要刀盘在旋转2-3分钟并向刀盘前及土仓内注入膨润土对降低刀盘扭矩有显著效果。

5 结论

通过现场对减速机双头螺柱的维护和合理的操作控制，可以有效地解决主驱动系统存在的问题，为采用类似设计形式的盾构机提供了经验参考，但是为了彻底解决此类故障带来的影响，建议从主驱动设计结构上做出调整，例如縮短减速机与主驱动的连接长度，将法兰环焊接在主驱动上，并在法兰环上加工螺纹孔用来把合减速机，也可以采用过载保护限制器的设计形式。

参考文献

[1]寇晓林.泥水盾构隧保险轴断裂原因浅析[J].盾构工程，2009（4）：58-60.

[2]王启义.中国机械设计大典[M].南昌：江西科学技术出版社，2002.

[3]熊晨君，蔡骏.盾构机主减速箱损坏原因分析及预防措施[J].机械工程师，2013（3）：132-134.

[4]李辉，刘银涛.土压平衡盾构脱困技术及经验教训[J].隧道建设，2012，32（2）：239-244.