TBM主轴承大齿圈洞内修复方案及工艺流程

刘宏志

摘 要：隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，简称TBM）的工作过程中，主轴承的大齿圈和小齿轮相互啮合，带动刀盘转动进行掘进。在中天山TB880E的掘进过程中遇到严重断层破碎带，小齿轮轴承散架、滚子脱落在齿轮箱内、主轴承大齿圈174个轮齿中损坏7个。工程过程中，修复大齿圈主要采用了分层堆焊与打磨修复相结合的方法。文中对TBM主轴承大齿圈修复技术及工艺流程进行了介绍，可对类似工程的施工提供借鉴和参考。

关键词：TBM 大齿圈 分层堆焊 打磨修复

中图分类号：TU455 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）02（c）-0112-02

隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，简称TBM）多用于长隧道施工，而主轴承是掘进机的核心部件，它的作用是支承刀盘，给刀盘传递旋转的动力，主轴承受隧道空间限制很难进行更换。如果主轴承损坏失效，隧道掘进机则陷入瘫痪，造成难以承受的后果。其中大齿圈是主轴承的关键部件，如果大齿圈出现故障，发生严重磨损或崩齿掉齿的现象，则无法继续掘进，如何能在洞内将掘进机主轴承大齿圈进行修复，是一个非常有价值的课题。

1 机况

中天山特长隧道右线为南疆线吐库段增建二线铁路第二标段（SK2）主体工程，长22.467 km，为全线控制性工程。其中进口工区采用从德国wirth公司引进的φ8.8 m开敞式880E型TBM施工，此台TBM已经历过秦岭隧道、磨沟岭隧道施工，进场前累计施工了近10 km。2011年2月14日，中天山隧道TBM掘进9011.6 m时，遇到严重断层破碎带，TBM刀盘扭矩急剧加大，主驱动出现异响，紧急停机后经拆检发现小齿轮轴承散架、滚子脱落在齿轮箱内、主轴承大齿圈174个轮齿中损坏7个（见图1）。TBM无法正常掘进，需要停机进行修理。从国内外掘进机主轴承发生故障的案例来看，世界上还没有掘进机主轴承大齿圈齿轮洞内修复的先例，没有相关经验可借鉴。

2 修复方案

对于主轴承的修复，由于作业空间受限的实际情况，激光熔敷和镶齿的齿轮修复方法很难实现，故现场齿轮修复只能采用堆焊法。但主轴承的大齿圈和主轴承滚道是一体的，采用的材质为42CrMo4，可焊性较差。在焊接过程中，由于母材金属中含碳量高，它的一部分要熔化到焊缝金属中去，使焊层金属含碳量增高。焊缝凝固结晶时，结晶温度区间大，偏析倾向也较大，加之含硫杂质和气孔的影响，容易在焊层金属中引起热裂纹，特别是在收尾处，裂纹更为敏感，需采用齿轮预热的方法来实现，但由于掘进机主轴承大齿圈两边都有关键性的橡胶密封，预热的方法很难实现。在该文所述的现场修复的焊接工艺过程中，在不损伤密封以及大齿圈上的齿不容易退火的情况下，最宜选用焊接温度较低的仿激光焊机进行层层堆焊，然后再进行打磨的方法实施维修。

3 工艺流程

3.1 准备工作

维修所需工具：一台激光焊机、进口焊条、抛光机、砂轮片、抛光片、探伤剂、棉布等。由于机器后端小齿轮隔舱孔径较小，人钻进去不能实施焊接工作，在咨询了专家意见后，决定在1#小齿轮隔舱上方开一个430 mm×550 mm的长方形口以便有足够的操作空间进行维修。开口前先要把1#主驱动小齿轮拔出来，由于要用割枪进行割口，必定会产生铁渣，在开口位置正下方铺好铁皮，防止铁渣损伤密封，开口完后一定要清理干净。

3.2 焊接过程

首先，把齿表面的铁屑、油泥清洗干净，再对每个损坏齿进行探伤处理，如果探伤有裂纹，就要用切割片进行切割直到无裂纹为止，如果无裂纹就把损坏齿的表面用砂轮片抛平以便实施焊接工作。然后，焊接前需把损坏齿周围用棉布防护到位，密封上面的棉布要用水管一直冲着，防止损伤密封。选用3种进口焊材进行焊接处理：打底层用焊接性能好、抗拉强度高的焊材，齿芯部采用未经热处理的、硬度与齿芯部接近的焊材，主轴承大齿圈轮齿表面层用硬度和大齿圈齿轮热处理后硬度接近的焊材，使修复后的齿性能接近于原来的齿。焊接过程要求电流控制在合适的范围，防止产生气孔咬边等现象的发生，焊接采用层层堆焊的方法，把整个齿堆焊后开始打磨。首先是粗磨，粗磨之后进行探伤，如果发现裂纹，需把裂纹打磨掉重新焊接，如果无裂纹就进行精磨。精磨前需要制作三联齿模具，并使用三联齿模具来回比对直到完全修复到位。精磨完成后，说明选用焊材合适，焊接完成的效果也是比较令人满意的。

通过上述方法，当把1#～7#齿都修复完成后，把受力齿面喷上红色油漆，旋转大齿圈一周观察大齿圈齿的受力面啮合情况，如果啮合度达不到80%以上需要再精磨，如此反复直到全部啮合都达到80%以上方可满足要求。当确定齿精磨到位后，把1#小齿隔舱上方的盖板重新焊接好，并对焊接好的盖板做一下探伤，一定确保焊缝无裂纹，防止从焊缝处往主轴承内进粉尘和水。

3.3 焊后处理

焊接完成后，主轴承内部存在好多铁屑、焊渣、油泥等脏污，需要对主轴承做全面清洗。首先从小齿每个隔舱用液压油往下冲洗，冲洗完成后，往主轴承内加液压油6桶，然后转动刀盘1 h，清洗主轴承。清洗完后，把清洗油放出来，揭开主轴承油箱盖，把油箱清洗干净，并密封好。

3.4 恢复主驱动

把每个小齿隔舱再进行清洗干净，安装小齿轮。在装小齿轮时一定小心齿和轴承避免损伤，然后依次对接传动轴，装主变速箱、联轴器、离合器、離合器油缸、马达等。把能够恢复的7个主驱动恢复到位，液压系统油路确保无误，马达的旋转方向一致。

4 焊修效果

原来齿面硬度为HRC45～50，焊接完成后，经使用硬度仪测试硬度，焊接修复好的齿表面硬度也在HRC45～50范围，与原齿表面硬度相吻合；掘进过程通过对掘进参数的控制，稳步推进。中天山隧道右线TBM在对主轴承大齿圈焊修后又掘进了3 465.1 m，直至掘进贯通，后经拆机观察，焊接过的大齿圈齿无裂纹、无崩齿现象，说明这次焊接修复是成功的，同时也为同类机械故障提供了宝贵的经验。

5 结语

该文采用大齿轮修复过程中，选取合适的作业位置，采用合理的焊接工艺和齿形修复方法，并选用科学的检验标准来验收轮齿的修复质量，节约了采购一个新主轴承的成本，且不用更换主轴承，能在洞内进行现场修复，能使掘进机使用单位在最短的时间内恢复掘进，比更换主轴承的方法节约6个月左右的时间，在工期和经济性方面效果明显，具有重大意义。

参考文献

[1] 杜彦良，徐明新.全断面岩石隧道掘进机TBM维护保养与监测诊断[M].华中科技大学出版社，2013.

[2] 周赛群.全断面硬岩掘进机（TBM）驱动系统的研究[D].浙江大学，2008.