盾构机主驱动密封系统研究

盾构机主驱动密封系统研究

摘要本文通过比较市场上常见盾构机主驱动密封系统的异同，从密封结构的密封机理出发，分析不同厂家密封结构的优缺点，进而提出主驱动密封系统在设计、装配和运转过程需要注意的问题和优化建议，为盾构机设计和维保人员提供参考。

关键词盾构机；主驱动密封；密封机理；失效形式

引言

盾构机作为一种应用于地下工程施工的特种装备，其特殊的工作环境决定了其各个系统设计的安全性需求较高，盾构机的刀盘驱动密封系统是盾构机的最核心系统之一，主驱动密封系统性能的好坏直接决定盾构机性能的发挥，而且密封系统的失效在地下环境下很难修复，修复的成本将是惊人的，还会为整个工程带来巨大的安全风险。工程人员结合实际工程案例分析了主驱动密封失效的主要原因和预防措施[1-2]。

日立造船为美国一公路隧道施工定制的开挖直径为17.5米的“伯莎”号盾构机在地下仅仅掘进了300米就发生了主驱动密封系统故障，盾构机无法在地下后退，密封件也无法在地下更换。经过长时间的研究和方案比较，最终施工方决定采用在“伯莎”的前方开挖竖井并取出刀盘进行维修的办法。此次主驱动密封系统的故障为项目带来1.5亿美元的损失和将近两年的而工期延迟。上述主驱动密封系统失效的主要原因可能是在设计、装配、密封材料选型或者后期使用过程中维护不到位造成，因此，非常有必要对盾构机主驱动密封系统从密封结构形式、密封的组合结构和密封结构的密封机理等方面做深入研究。

1 主驱动密封系统的主要结构形式

1.1 基本密封结构的组合形式

各个不同的盾构机厂家对主驱动密封系统设计的结构形式是不同[3]。为了达到良好的密封效果，大多采用不同的密封结构组合成密封系统，实现土仓内水土压力和主驱动箱内驱动组件的有效隔离。常见的组合形式有以下几种：（1）機械迷宫密封+（2～5）道单唇口唇形密封，如图1所示。

（2）机械迷宫密封+（2～5）道单唇口压紧环密封，如图2所示。

（3）机械迷宫密封+（1～2）道多唇口唇形密封。

（4）机械迷宫密封+1道多唇口密封+（2～3）道单唇口密封，如图3所示。

1.2 密封空腔密封材料组合

在密封组合形式相同的情况下，密封空腔内注入的密封润滑材料不同或者密封材料注入的控制方式不同可以组成更多的主驱动密封系统。例如，同样是机械迷宫密封加多道单唇口唇形密封的组合如图1结构组合，空腔内密封材料不同，可以形成以下组合：

（1）迷宫密封内HBW+EP2+320#齿轮油+泄露检测腔

（2）迷宫密封内HBW+68#液压油+68#液压油+泄露检测腔

（3）迷宫密封内HBW+NLGI2油脂+46#液压油+泄露检测腔

1.3 密封材料注入控制方式组合

从密封材料的注入控制方式方面，还可以分为流量控制、压力控制以及流量和压力相结合控制方式。因此，不同的盾构机厂家或者密封制造厂家对密封机理的认识不同，设计出不同主驱动密封系统，这些密封系统具备不同的优缺点。为了更好地理解不同组合的密封系统的性能，需要弄清楚基本的密封结构的作用机理。

2 基本密封结构的密封机理

密封和密封系统的设计、制造和运行，建立在与流体力学相关的一些原理上，诸如润滑、摩擦、磨损、传热、材料性质和机械设计等。密封界面上物理过程受分子的相互作用、密封端面的几何形状、合适的力学平衡、传热和材料的性质等因素影响。作用机理非常复杂，很难用准确的分析计算来预测密封系统的运行特性。目前盾构机主驱动密封系统多采用单唇口或者多唇口的唇形密封（具体结构见图4）组合成隔离密封系统，现以单唇口密封为例分析影响密封作用的各因素。

2.1 唇形密封圈的密封原理

唇形密封圈依靠其张开的唇边贴于密封副耦合面。图5为唇形密封安装后的接触压力分布。无内压时，仅仅因唇尖的变形而产生很小的接触压力。在密封受内压后，唇部受到周向压缩，唇口与密封面接触变宽，同时接触压力增大。当内压在升高时，接触压力的分布和大小进一步改变，密封性能更好。

2.2 唇形密封材料对密封特性的影响

唇形密封所用材料多为聚合材料，主要包括橡胶和塑料。这类复合材料通常都是密封厂家的专利技术，密封生产厂家一般不会透露材料的复合加工技术。盾构机上常用的唇形密封材料多为不同硬度的丁腈橡胶和聚氨酯塑料。多唇口唇形密封所使用的材料多为聚氨酯塑料。单唇口密封所用材料多为丁腈橡胶或者加织物的橡胶。从抗磨的角度看，聚氨酯材料优于橡胶，但从对温度的敏感性上看，聚氨酯塑料适用范围较窄。使用高硬度的聚合橡胶制成的密封圈更适用于压力稳

定的环境，压力波动较大的环境适合使用软密封。

2.3 摩擦热对密封性能的影响

对于承压的旋转密封，摩擦生热是不可避免的，高水平的摩擦热需求有较好的传热界面。因此，在主驱动密封设计时，要考虑密封的润滑和冷却，极端条件下还要考虑密封临近的液体的连续交换。

3 常见盾构机主驱动密封系统的优缺点分析

结合前文对密封原理的分析，以图1所示的密封系统为例，分析该主驱动密封系统优缺点和主要的失效形式，以及改进建议。

3.1 内外密封系统的工作原理

外密封系统采用机械迷宫密封+4道唇形密封组成，迷宫密封腔内注入HBW，其他密封腔从前到后依次为EP2、320#齿轮油和泄露检测腔。HBW和EP2的注入方式为间断式流量控制，即刀盘运转时两种油脂以给定的量注入，以自适应压力来平衡土仓内的泥土压。320#齿轮油的密封腔为独立的润滑油罐，在低土压的环境下，齿轮油腔内压力保持为0.2bar，起到润滑密封作用，当土仓压力较高时，通过增加齿轮油罐的压力为EP2腔密封提供被压，降低此密封两侧的压力差，改善密封的工作环境，延长密封的使用寿命。

内密封的结构类似外密封，为迷宫密封+3道唇形密封，取消了齿轮油润滑腔，HBW和EP2的注入控制方式同外密封。

3.2 此密封系统的缺点分析

（1）当土仓内土压波动大时，密封腔内的注脂量不易调整，造成油脂消耗量的增加。

（2）当迷宫密封腔内堵塞时，造成EP2挤出困难，压力升高，如果不及时调整齿轮油腔的压力则增加密封负担，加速密封磨损。

（3）内密封系统减少一道唇形密封，当土仓压力高或者内密封的HBW腔堵塞时，第二道密封的背压无法调整，加速第二道密封的磨损。

4 结束语

通过前文的分析比较可以看出，首先，不论哪种密封系统的设计，只要符合密封作用的机理在一定的使用环境下均能达到设计目的；其次，主驱动密封系统运转过程中，各密封腔的压力监测非常重要，当发现压力异常时，要及时根据密封设计的要求做相关的调整；最后，在主驱动密封系统的装配过程中要保证各个密封单元的良好工作状态，防止唇形密封的唇口预压紧不一致，唇口扭转或者运