盾构主轴承典型失效案例分析

刘雪源，李磊，孙海波，刘瑞庆，李大伟

（中铁隧道局集团有限公司 设备分公司，河南 洛阳 471000）

LIU Xue-yuan,LI Lei,SUN Hai-bo,LIU Rui-qing,LI Da-wei

主轴承是连接盾构刀盘系统与驱动系统的关键部件，常见的主要为带预紧或不带预紧的三排圆柱滚子回转支撑轴承，在盾构掘进时主要承受刀盘工作过程中传递的轴向载荷、径向载荷、倾覆力矩和扭矩。作为盾构这种大型设备的关键件，主轴承的性能质量必须要有保障。

在实际施工过程中，盾构主轴承面临的工况环境十分恶劣、复杂，由于设计、加工制造、再制造（维修）、检测、安装、使用和维护保养等方面出现问题，都可能导致盾构主轴承发生故障或提前失效。本文通过搜集、整理的不同工况条件下盾构主轴承再制造（整修）实际案例，在此基础上提炼、总结出盾构主轴承零部件常见的损伤缺陷、故障和失效形式，为盾构主轴承的设计制造、安装使用及维护保养提出针对性合理化建议，降低主轴承的使用风险，提高盾构主轴承使用寿命。

1 主轴承结构

常见的盾构主轴承主要为带预紧或不带预紧的组合式三排圆柱滚子回转支撑轴承，其结构由滚子、保持架、内圈和外圈组成。具体结构如图1 所示。

图1 盾构主轴承结构示意图

2 盾构主轴承失效机理分析

盾构主轴承失效形式一般表现为疲劳断裂和磨损失效，此种失效方式多为润滑不到位、装配不合理、异物进入轴承内部或者使用过度疲劳所致，在轴承自身的设计寿命范围内结合相关数据统计，轴承的失效因素比例为：配合不当16%；润滑不良36%；外界污染14%；疲劳34%。

除此之外，在盾构穿越软硬不均、破碎带或者在刀盘、刀具异常损坏等情况下施工，当受到长时间不均衡的压应力冲击，会造成其零部件的异常损坏，进而加剧主轴承的损坏，在施工过程中应特别注意。

3 盾构主轴承典型失效案例及分析

3.1 案例1

某海瑞克盾构采用∅2.62m SKF 主轴承，在经过11km 以上施工掘进后进行拆解检修，发现内齿圈齿面存在较大程度的磨损、滚道、滚子表面大面积锈蚀及较多异物压痕、上半外圈软带处有缺陷，缺陷走向平行于滚道，主轴承内部发现有较多泥浆。

3.1.1 可能原因

经设备长时间运转，主轴承使用时间已经超过使用寿命，滚道及滚动体表面接触部位经较长时间压应力作用，出现金属疲劳和磨损所致，加上内部进入水泥浆，使主轴承加速损坏。

3.1.2 处理建议

对使用寿命达到或超过设计寿命的主轴承，出现较大范围的磨损、剥落、锈蚀等现象，虽然经修复后外观可得到恢复，但其硬度、疲劳程度、承力能力等已发生较大改变，继续使用有存在施工风险，且维修恢复成本较大，建议报废。

3.2 案例2

某法玛通泥水盾构采用∅4.8m Rothe Erde主轴承，经过约4.7km 施工掘进后，进行较长时间的露天存放。再次恢复使用对主轴承进行拆解，发现主推力滚子多数已破碎成鹅卵石状，其保持架全部散架；反推力滚子多数表面锈蚀，多数保持架存在断裂散架；径向滚子部分保持架断裂；主推力滚道表面整体锈蚀严重，表面存在电容蚀坑、磨损坑；主轴承内部进入大量泥浆、砂石等异物。

3.2.1 可能原因

1）经了解主轴承在应用期间在7bar 高水压环境下长时间掘进，密封油脂注入不到位造成泥浆突破密封系统，加剧密封和跑道面损坏，致使泥浆、硬质颗粒物等进入主轴承内部，在重载作用下逐步损坏。

2）盾构组装或洞内焊接刀盘时，搭铁线未严格按标准放置，致使主轴承滚子和滚道面接触处有大电流通过，产生了电熔蚀坑，电熔蚀坑随着运转时间的延长，逐渐剥落并呈扩大趋势，最终导致主轴承滚子及滚道面的损坏。

3）长期存放保养不到位，导致内部锈蚀严重。

3.2.2 处理建议

主轴承内部关键件已严重损坏，已无维修价值，建议报废。

3.3 案例3

某海瑞克盾构采用∅2.62m SKF 主轴承，在华东地层掘进2km 左右后对主轴承进行拆解，发现内圈齿面存在碰伤裂纹、齿面边缘位置局部掉块，个别齿面存在小面积异物压痕，深度较浅；滚道面异物压痕、轻微锈蚀、磨痕。

3.3.1 可能原因分析

在施工掘进过程中可能齿轮啮合时出现偏载、主轴承扭矩突变所致。

3.3.2 处理措施

1）对轴承齿面碰伤、掉块区域进行打磨处理并进行探伤，确保打磨后无裂纹

2）修磨去除滚道面锈蚀。

3）恢复使用后注意油脂的使用和做好主轴承的振动监测、油液检测工作。

3.4 案例4

某中铁号盾构采用∅2.62m 主轴承，历经郑州、北京地层施工，累计掘进5.4km 后进行主轴承拆检，内、外圈端面轻微锈蚀，内、外全主推力滚道有少量压坑，深度较浅，主推力滚子整批分组差实测0.008mm，已超出标准（≤0.005mm）。

3.4.1 原因分析

施工过程中可能存在润滑不到位，载荷不均的情况，整体损耗情况在允许范围内。

3.4.2 处理建议

因锈蚀、压坑较浅，采用常规修磨处理。

综上，通过整理、分析和总结以往盾构主轴承实际拆解检测结果，显示常见的典型故障及失效形式主要包括7 个方面：疲劳剥落、锈蚀、断裂和裂纹、压痕、磨损、电流腐蚀和保持架损坏，这与主轴承应用过程中施工环境、保养维护、和受冲击程度均有较大关系。

4 结论

主轴承的寿命主要取决于设计制造、装配及施工应用等多方面因素。

盾构主轴承零部件所用的材料及热处理工艺对轴承的性能和可靠性起着决定性作用，对于采购方来讲一定从源头上控制轴承质量，选择合适的品牌，这是设备能够有效运转的第一步；其次在装配盾构主轴承零部件时主要配合尺寸必须符合设计要求或工艺规定，要保证环境及材料的自身清洁，避免携带异物，造成后续轴承内部磨损。由于齿间隙、安装受力程度以及紧固螺栓的扭矩也是装配过程中的重要因素，必须安排专业人员使用专用工具进行装配。

对于施工应用应着重注意以下方面。

1）对于在砂卵石、泥岩、软硬不均地层及高水压等复杂地质工况条件下施工的盾构，施工全程应增加对主轴承油品杂质的检验频率，避免因为轴承内部滚道锈蚀、压痕等边缘过早出现疲劳剥落而影响到轴承的正常运转，如有条件最好使用主轴承齿轮油状态在线监测系统，以实现油水污染情况实时监测，起到提前预警作用。

2）主轴承润滑孔道须时刻保持油路畅通，保证注入主轴承密封的油脂用量，否则会导致盾构刀盘开挖舱内压力泥浆突破密封系统进入主轴承结构内部；注入主轴承密封的油脂也不能过量，过量会增大摩擦并导致主轴承密封系统温度上升，增加密封跑道及密封的失效风险。

3）对于电驱盾构，标定调试好扭矩限制器，确保过载时及时切断小齿轮到主轴承内齿圈的动力传递；对于液驱盾构，标定调试好恒功率控制阀，确保液压工作回路压力过载时自动降低系统流量，从而实现限制液压系统工作扭矩的目的。

4）针对不同地质条件工况，合理调整盾构掘进动力参数（扭矩、推力），如有掘进参数异常现象及时停机分析，提高对掘进参数的敏感度。

5）对于长时间存放的设备，如拆机存放或整体存放但不能通电转动的盾构，首先应保证加注满齿轮油并做好遮盖防雨工作，并定期检查更换油液，加注、涂抹油脂，对于能达到通电条件的应定期运转润滑。

6）若在盾构主驱动系统附近进行焊接作业，搭铁线位置必须严格按标准放置，避免电流通过主轴承造成电熔蚀坑。

7）在盾构施工全过程中，应定期（如每掘进300m），对主轴承齿轮油进行取样检测，通过运动粘度、机械杂质、水分、铁谱、光谱分析油液是否需要更换，内部是否存在磨损，每日对运转主轴承的径向、轴向的振动监测，能够较好地规避主轴承重大故障，延长其使用寿命。O