隧道掘进机的轴承和密封设计考虑因素

原标题：隧道掘进机的轴承和密封设计考虑因素

隧道掘进设备的安全可靠运行依赖于关键轴承和密封件的完整性

隧道一旦施工开始，就没有回头路了。隧道掘进机（TBM）没有配备倒档，因此机器必须能够完成其工作而不会在路线上发生任何明显的机械故障。如果出现问题，进入机器进行维修可能是一项复杂，昂贵且耗时的工程，特别是主要的回转支承安装在TBM的齿轮箱内。主回转支承是机器的核心，如果发生故障，它不能轻易更换，可能导致数月的延误和成本超支，这可能很容易增加到数百万美元。

对于设计工程师而言，提供高水平可靠性和可用性的挑战因与隧道工程相关的极其恶劣的工作条件而变得更加复杂。TBM结合了几个非常不希望的关键部件操作条件，包括慢速旋转，高静态和冲击负载以及潮湿，肮脏的环境。总之，这些特性是加速磨损和部件损坏的配方。

几十年来，SKF与主要的TBM制造商合作开发了坚固的轴承，密封和润滑解决方案，可满足世界上最苛刻的隧道工程的要求。本文介绍了与这些组件的设计，操作和维护相关的一些主要挑战，以及可用于解决这些问题的解决方案。

切削盘轴承

大型TBM使用大量切削盘，每个切削盘在一对圆锥滚子轴承（TRB）上旋转。在操作中，这些轴承承受高瞬态载荷，当盘被迫进入岩石并且随着材料破裂而突然释放时，这些载荷会急剧上升。盘的旋转速度取决于其在刀头上的位置，但通常在10至20rpm的范围内。使用越来越大的TBM导致刀盘直径相应增加，从几年前的13英寸标准增长到最大的现代机器上的17英寸甚至19英寸。

切割盘TRB的位置使得轴承表面很可能在操作期间被污染。这与极端冲击载荷的存在相结合意味着轴承制造商必须设计轴承以应对不均匀的载荷和滚子和滚道表面上的高度局部力。同时，必须考虑到发生轴承过早失效的性质。这里的优先事项是避免滚道完全断裂，这会导致磁盘堵塞，从而导致多个磁盘损坏。

构建可以处理这种环境的轴承需要仔细关注几何形状，材料选择和表面处理方法。设计工程师需要利用专有的有限元分析工具来优化关键轴承设计和制造参数，以提供最佳的特性组合。例如，对滚道几何形状的小幅度调整会对轴承应对不规则载荷的能力产生很大影响，同时使用精确控制的滚道表面硬化可提供足够硬度的滚动表面，同时保持坚韧的芯部以防止失效爆裂条件。

测试切割盘轴承给制造商带来了另一个挑战。没有可用的测试装置能够充分再现真实操作的严格性，并且不同项目的操作条件会有很大差异。因此，轴承设计工程师在评估新设计时必须依靠经验和计算机模拟的组合。

从磨损的切割盘上移除轴承的状况也可以提供关于其操作条件的有用信息。对轴承表面磨损和损坏的专家分析可以揭示修改操作和维护程序以最大化轴承寿命的机会。如果项目面临意外挑战的地面条件，SKF工程团队甚至能够利用从受损轴承中获得的见解来生产旨在提高性能的定制解决方案。

由于光盘更换操作是在地下进行的，因此它们必须尽可能简单，只需要极少的时间，人力和专业工具。然而，圆盘内圆锥滚子轴承的可靠运行依赖于适当的预载水平，必须由维护团队在安装轴承时进行设定。

在实践中，操作员在现场评估轴承预载荷的能力有限，并且必须依赖于在组装期间在布置上测量的扭矩。为了帮助操作员完成这一关键的装配步骤，切削盘中使用的TRB制造成具有严格的尺寸公差，从而确保安装扭矩和预载荷之间最接近的可能相关性。其他因素也可以发挥作用，包括安装硬件的状况和润滑，因此仔细检查组件和遵守标准安装协议是必不可少的。轴承供应商还可以为操作员提供相应的盘式轴承更换程序和维护人员培训方面的支持。

回转支承

虽然所有切削盘轴承都采用了大致相似的设计，但TBM制造商对主回转支承的设计提出了更高的要求。这是TBM中最关键的轴承，是小齿轮传动和刀头之间的联系，同时也承担了隧道掘进作业中产生的巨大载荷。回转支承组件的尺寸范围可以从直径小于2米的微型隧道应用到最大的隧道掘进机的8米以上。制造商可以根据机器的尺寸，预期的地面条件和整个机器结构使用不同的轴承布置。

因此，回转轴承始终是高度定制化的设计，由OEM和轴承供应商密切合作创建。SKF为此类项目开发了专门的设计和优化软件，允许对包括滚动元件，保持架，滚道，驱动齿轮和安装布置在内的完整回转支承组件进行建模和仿真，从而在给定负载下精确计算轴承和齿轮的使用寿命条件。TBM回转支承设计中的特殊解决方案可包括弹簧加载的滚道设计，以减少硬岩应用中的冲击载荷。

大型TBM回转支承轴承给运输，装配和维护带来了挑战。根据OEM要求，回转支承可以作为单个零件提供，也可以由包括密封系统在内的完全组装的单元提供。在某些情况下，轴承可以分段构造，以便在机器发生不可预见的事件时便于运输，安装或更换。

除主回转支承外，市场上还有用于螺旋输送机和安装系统的特殊系列回转支承。

密封

回转轴承依靠适当的润滑和进入保护来生存。这意味着用于保护这些轴承免受隧道镗孔恶劣环境影响的密封件是项目关键部件。

与回转支承组件本身一样，TBM主轴承的密封解决方案需要进行优化，以满足典型应用的需求以及具有更极端条件的定制项目。SKF保留对密封设计和制造工艺的完全控制，制定自己的专有材料，并使用内部制造工艺确保精确控制成品密封几何形状，无论机器的尺寸如何。

回转轴承密封必须实现多个目标：在轴承组件内保持润滑剂，防止水，泥浆和碎屑，并适应操作期间可能发生的严重错位。密封必须能够在整个项目的整个过程中履行这些职责，即使在遭受岩石颗粒的持续磨损时也是如此。

为了达到所需的性能水平，通常使用多个串联的唇形密封件，它们之间具有润滑。SKF的TBM密封件是通过利用FEA来考虑所有负载情况而设计的，例如不对中，加压，油脂冲洗甚至安装行为。

为了简化装配过程，并便于现场更换密封件，如果需要，SKF开发了一种使用紧凑型手持设备的专业焊接工艺，使工程师能够在狭窄的空间内操作。该过程允许安装主密封件而无需移除切割头，从而显着减少停机时间。

其他轴承和润滑解决方案

除了专为TBM应用开发的高度专业化的组件外，SKF还为机器制造商提供各种其他组件，系统和解决方案。这些包括用于螺旋输送机驱动，安装轴承和其他辅助设备的标准轴承和密封件，以及精密的集中润滑系统，可以精确地将油或油脂直接注入轴承，以确保最佳润滑，同时减少浪费或环境污染。