隧道内盾构机刀盘主驱动齿圈的修复技术

隧道内盾构机刀盘主驱动齿圈的修复技术

摘要：该文介绍了海瑞克盾构机刀盘主驱动齿圈的修复。详细说明了齿圈轮齿在不拆除和狭小施工空间的情况下，对焊接材料选取、焊接工艺、检测方法等的方案制定，成功的修复了大齿圈轮齿的过程。

关键词：盾构机，齿圈，修理

Abstract: this paper introduces the Shanghai g shield construction machine cutter tooth the restoration of the Lord drive circle. Detailed description of the gear tooth circle in the preservation and narrow space construction of welding material selection, the welding process, the detection method of decision-making, the success of the big circle gear tooth repair process.

Keywords: shield construction machine, tooth circle, repair

1、产生的现象

盾构正在掘进，在盾体部位隐约能听见咯噔的声响，马上进行了全面检查，发现声音出现在前盾位置，仔细观察发现，中心回转体方位指针在出现声响的时候有滑移现象，初步判定可能为刀盘主驱动问题，后经确诊为刀盘驱动轴承齿圈损坏。

2、问题产生的原因

此处为437环，处在小转弯半径（200M）的施工段，正值全断面地层，微风化花岗岩，纹理结合紧密。掘进过程中刀盘扭矩一直处在180bar以上，渣土温度很高，最高达到68℃，齿轮油温度也徘徊在60℃～70℃之间，另外由于此盾构机为德国海瑞克早期型号，工作有7年多，推进里程为9公里以上，已接近使用寿命，部分机械零件老化严重。在广州这种复合层地层中掘进，长期的满负荷工作，轴承的疲劳磨损比较严重，鉴于以上因素，使得盾构机刀盘主驱动部位（含8个减速箱和驱动马达）发生了故障，8号减速箱内轴承损坏，导致轴承滚珠掉入齿圈中，从而导致大齿圈的轮齿和其他减速箱内的轮齿断裂。

图1 大齿圈轮齿损伤照片

3、处理措施

8个减速箱可以拆卸出来维修和更换，其维修难度较小，而在盾构机上的大齿圈由于机械本身设计和空间限制无法取出来更换，因此只能在现场进行维

修，由于现场条件的限制对于大齿圈的修复带来了很大的困难（比如轮齿的加温和焊接的操作空间）。

图2 大齿圈和减速箱马达位置示意图

4、修复前准备工作

4.1 主要材料选择

本工程的施工机械为德国海瑞克生产，齿圈为SKF公司制造，材质为：42CrMo4v，相当于国内的42CrMo，日本的SCM440，美国的4140。

对于焊条的选择，需满足以下条件：

（1）主材和焊材的主要成分必须相近，由于现场内无法进行高温加热（只能采取氧气-乙炔焰加热），因此要求焊材必须能在低温焊接；

（2）具有很高的伸长率和抗裂性能，由于要采取多次的堆焊，因此焊材在不断地热循环中必须不能疲劳破坏或产生裂痕；

（3）具有优良的耐热性，抗氧化性及耐蚀性；

参考国内的一些大型齿轮的修复，多数采用2222XHD焊条，但是由于第二条的限制，此种焊条不太适合，根据国外的一些经验，最终我们确定了卡斯特林公司生产的Xuper NucleoTec 2222 焊条，此种焊条完全符合上述条件。

4.2 现场准备工作

采取24小时工作制的连续作业方式，确保按时修复完成，严格按照既定技术修复方案进行修复，秉着严谨而周密的原则详细安排材料和修复的技术人员。

表1刀盘驱动轴承齿圈修复主要材料及设备统计表

5、修复工艺

5.1焊条除潮：由于焊条在存放过程中会吸取部分潮气，为了保证焊接的质量，我们首先把焊条在烤箱内，先加温至200℃保温3分钟后，再加温至300℃继续保温15分钟时间，使用前用牛皮纸包好拿到现场使用，在暂时不用时再包好存放。

5.2坏齿处理：用打磨机将损坏齿轮坏齿部位全部打掉，有裂纹部位打磨直到裂纹消失，焊接坡口采用“U” 型或“V”型，尽量减少母材金属熔入焊缝金属中的比例。如果裂纹太深超过整个齿厚的一半将全部齿打掉，然后用气动小打磨机修整。

5.3堆焊补全：为了保护大齿圈的其它地方，烧焊前，焊点两侧尽量用石棉盖住，先将齿面用氧气－乙炔焰进行预热，坡口处先前打磨光的部位用焊条线拉式的层层敷焊起来。在焊接过程中用对母材进行加热保温，每焊完一层对焊缝焊渣进行彻底清除，并用榔头轻击焊层尽量消除焊缝处内应力。

5.4回火保温：焊接完成后用氧气－乙炔焰对母材轮齿进行回火，用石棉布进行覆盖保温使母材温度缓慢降低冷却，尽量避免因为冷却过快应力集中产生裂纹。

5.5齿形修复：齿形修复采用钳工手工修复。用气动打磨机打磨修复粗略齿形，用三菱尺涂色修复齿面直线度，用齿形卡尺保证齿形尺寸。

5.6检测方法

为检测轮齿的损伤程度，需要对其进行探伤，探伤比较常用的有渗透探伤、磁粉探伤、超声波探伤、UT探伤等，但是由于直接在机械上进行探伤，上面有好多电器元件，因此我们只采用了渗透探伤和超声波探伤2种。

首先给轮齿进行编号，再使用探伤剂进行渗透探伤，然后把有裂纹的轮齿的裂缝情况和编号记录下来，第一遍修复好轮齿后，统一进行了超声波探伤，并把有问题的部位再次修复，直至全部探伤通过为止。

5.7修理后的效果

盾构机刀盘主驱动轴承齿圈全部修复完成后，装配好8个减速箱内轴承及主驱动马达。为满足下一步的施工，对盾构机的掘进参数进行了调整，刀盘扭矩不超过150bar，推进速度不超过30mm/min，推力控制在800t～1000t，控制齿轮油及刀盘温度。现在已经完成剩余1470m掘进，隧道贯通，此次修复的盾构机刀盘主驱动轴承齿圈强度等技术参数完全满足了施工需求。

6、经济分析

如果主轴承大齿圈不采取隧道内修复而是采用吊出盾构机后更换的话成本会很高。根据厂家报价，运输至厂家和更换新的大齿圈约需人民币400万元，再加上打竖井和吊出盾构机的费用，会超出700万，耽误最少2个月的工期。而在隧道内维修大齿圈只用了人民币约3万元（含机械费和人工费），不到1个月就恢复了掘进。通过两个数据比较来看，采取了隧道内修复的做法是完全正确的，并验证了其可行性，大大节约了施工成本。

7、总结

在国内维修盾构机大齿圈的案例很少，并且在隧道内成功维修海瑞克盾构机尚属首例，通过这次的大齿圈维修，为今后类似问题的处理有一定借鉴参考意义。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。