盾构机润滑油脂分析

随着地下空间的开发，采用盾构技术掘进隧道的方法已经建立并正在不断完善 。盾构法施工与其他传统的地下工程施工方法一样，最终目标是完成一个特定的地下工程(如地下隧道)，但不同之处在于盾构法采用了特殊的施工工具———盾构机。

盾构施工的油脂类消耗材料在施工成本中占有较大的比重，一般每掘进 1 延 m 要消耗上千元油脂，其中主要是润滑脂、HBW 脂、盾尾密封脂 3 种油脂的消耗。分析和研究盾构施工中消耗的润滑脂、HBW 脂、盾尾密封脂材料是降低盾构施工成本中不可忽视的环节。不同厂家、不同型式的盾构机在油脂的消耗上是有一定差别的，现分别以**的地铁使用的法马通 NTU032．1 盾构机和**地铁、**地铁的海瑞克 S266 和 S366盾构机为例从设计上和实际的使用中针对以上 3 种油脂的消耗进行比较分析，并从盾构机的结构上进行比较和分析。

1 海瑞克盾构机与法马通盾构机在设计上的油脂消耗量比较

1． 1 **用海瑞克 S366 盾构机油脂的设计消耗量

1． 1． 1 润滑脂的设计消耗量

　　润滑脂先用气动泵供到多点泵，再通过多点泵上的每个柱塞泵送到相应的供油点，其中主驱动外密封的 3 道唇形密封中，只有 1 个腔室中注入了润滑油脂，另 1 个腔室设计成了漏油检测腔室。油脂量的控制采用的是注脂量控制方式，没有压力控制。润滑脂设计消耗量计算如下:

　　1)主驱动。内密封为人工注入6 ÷24 =0．25cm 3 /h，外密封为泵入 150 ×8 =1 200 cm 3 /h。

　　2)螺旋输送机。1 # 螺旋机为 80 × 8 + 2 × 6 = 652cm 3 /h，再加上手动 2 ×50 ÷7 ÷24 =0． 595 cm 3 /h;2 # 螺旋机为80 ×8 +1． 5 ×4 +6 ×9 =646cm 3 /h，球铰密封为 6 ×9 =54 cm 3 /h。

　　3)旋转接头。旋转接头油道和泡沫通道的密封处为 5 ×50 =250 cm 3 /h，旋转接头处轴承辅助人工为0． 03 ～0． 06 cm 3 /h。

　　4)铰接密封。辅助人工为6 ×50 ÷24 =12．5cm 3 /h。

　　5)泵入和人工注入量。刀盘旋转时泵入为 1 200 +652 +646 +250 +54 =2 802 cm 3 /h，刀盘旋转时人工注入为 0． 25 +0． 595 +12． 5 +0． 06 =13． 41 cm 3 /h。

　　6)泵入和人工注入总合计。2 802 +13．41 =2 815．41cm 3 /h。

1． 1． 2 HBW 脂的设计消耗量

　　HBW 脂通过气动注脂泵分 8 路注到主驱动密封前。注脂量为 6． 2 ×8 ×60 =2 976 cm 3 /h。

1． 1． 3 盾尾密封脂的设计消耗量

　　盾尾密封脂通过气动注脂泵分 12 路注入到 3 道盾尾刷组合成的 2 道腔室中。设计上正常掘进消耗约35 kg/环(1． 5 m) =26 923 cm 3 /环 =17 949 cm 3 /m。

1． 2 广州用海瑞克 S266 盾构机油脂的设计消耗量

1． 2． 1 润滑脂的设计消耗量

　　**用海瑞克 S266 盾构机润滑脂的注入原理与控制模式与**用海瑞克 S366 盾构机相同。润滑脂设计消耗量计算如下:

　　1)主驱动。内密封为手动注入 30 ÷7 ÷24 =0． 179cm 3 /h，外密封为自动注入 6 ×160 cm 3 /h =960 cm 3 /h。

　　2)螺旋输送机。自动注入 50 ×8 =400 cm 3 /h，手动注入 2 ×50 ÷7 ÷24 =0． 595 cm 3 /h。

　　3)旋转接头。旋转接头油道和泡沫通道的密封处为 5 ×30 =150 cm 3 /h，旋转接头处轴承辅助人工为0． 03 ～0． 06 cm 3 /h。

　　4)铰接密封。辅助人工为6 ×50 ÷24 =12．5cm 3 /h。

　　5)泵入和人工注脂量。刀盘旋转泵入为 960 +400 +150 =1 510cm 3 /h，刀盘旋转人工注入为0． 179 +0． 595 +0． 06 +12． 5 =13． 33 cm 3 /h。

　　6)泵入和人工注入总合计。1 510 +13．33 =1 523．33cm 3 /h。

1． 2． 2 HBW 脂设计消耗量

　　海瑞克 S266 盾构机未设计此系统。海瑞克盾构机的主驱动密封处设计安装有带硬表面的轴承保护套。此轴承保护套磨损后可以调节、可更换。保护套的检查、调节可以在盾构施工中进入土仓中进行检查和调节，也可以在盾构施工结束后刀盘和主驱动解体后进行，轴承保护套的更换必须在刀盘和主驱动解体后进行。根据使用经验检查和调节的频率可以在一个盾构项目结束后进行。

1． 2． 3 盾尾密封脂设计消耗量

　　盾尾密封脂通过气动注脂泵分 12 路注入到 3 道盾尾刷组合成的 2 道腔室中。正常掘进大约消耗 35kg/环 =26 923 cm 3 /环 =17 949 cm 3 /m。

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1． 3 **用法马通 NTU032． 1 盾构机的设计消耗量

1． 3． 1 润滑脂的设计消耗量

　　润滑脂通过气动泵供到相应管路的油脂分配器上，再送到相应的供油点;其中主驱动的内、外密封的3 道唇形密封构成的 2 个腔室中都注入了润滑脂。润滑脂注入量的控制采用了压力和油量双重控制方式。润滑脂设计消耗量计算如下:

　　1)主驱动。内密封(里侧和外侧分别有 3 路注入)注润滑脂量为 18 ×60 =1 080 cm 3 /h，外密封(里侧和外侧分别有 3 路注入)注润滑脂量为 27 ×60 =1 620cm 3 /h。

　　2)旋转接头。2条管路注入，润滑脂注入量为2 ×0． 1 ×60 =12 cm 3 /h。

　　3)铰接密封。共分为 6 根注入管路。在铰接回收模式下，润滑脂注入量为 6 000 cm 3 /h;在掘进模式下，润滑脂注入量为 100 cm 3 /h。

　　4)螺旋输送机。在伸缩的模式下，润滑脂注入量为20 ×60 =1200cm 3 /h;在掘进模式下，润滑脂注入量为 20 cm 3 /h。

　　5)合计消耗量。刀盘旋转掘进模式下泵入为1 080 +1 620 +12 +100 +20 =2 832 cm 3 /h。

　　铰接回收模式和螺旋伸缩模式是在施工中很少使用的 2 种状态(计算时不计入)。

１．３．２HBW 脂通过气动注脂泵注到主驱动密封和旋转接头前。

　　HBW 脂设计消耗量计算如下:

　　1)主驱动。外密封分6 路，注脂量6 ×20 ×60 =7200cm 3 /h;内密封分为 4 路，注脂量 4 × 22 × 60 = 5 280cm 3 /h。

　　2)旋转接头处。分出 1 路，注脂量 22 ×60 =1 320cm 3 /h。

　　3)合计消耗量。刀盘旋转泵入为 7 200 +5 280 +1 320 = 13 800 cm 3 /h，根据设计图平均消耗量为 140cm 3 /min =8 400 cm 3 /h。

1． 3． 3 盾尾密封脂的设计消耗量

　　具体计算如下:

　　1)盾尾刷处。盾尾密封脂通过气动注脂泵分 12路注入到 3 道盾尾刷组合成的 2 道腔室中，盾构机以8 cm/min 速度掘进，盾尾脂消耗 2 L/min = 37． 5 L/环(1． 5 m 管片)。

　　2)铰接密封处。布设管路分为 4 路，在铰接模式下消耗量为 1 L/12 h。

　　3)安全门密封。共设有 1 根管路，在安全门开/关的模式下消耗量为 1 L/24 h。

　　4)螺旋机伸缩节密封。共设有 1 根管路，在螺旋输送机伸/缩的模式下消耗量为 1 L/24 h。

1． 4 海瑞克 S266 盾构机、S366 盾构机、法马通NTU032． 1 盾构机的设计消耗量比较

　　根据以上分析计算得出海瑞克和法马通盾构机设计消耗情况。

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２　海瑞克 S266 盾构机与法马通 NTU032． 1 盾构机的实际消耗情况比较

　　**地铁 *号线东延线土建 2223 标段*山站—**站区间的左右线采用的是盾构法施工，2 条线的水文地质条件相似，地表情况也相近。左线盾构施工使用的是用新出厂的法马通 NTU032． 1 盾构机，而右线使用的是已经完成过 4 个盾构项目合计掘进里程已超过 8 km 的海瑞克 S266 旧盾构机。

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　　从以上数据 中可得出如下结论:

　　1)在同样地层、地貌和施工条件下，在盾尾脂的消耗上法马通NTU032． 1 盾构机是海瑞克 S266 盾构机的 1． 68 倍，设计上是 1． 39 倍;在润滑脂的消耗上法马通 NTU032． 1 盾构机是海瑞克 S266 盾构机的 2． 724倍，设计上是其 1． 86 倍。

　　2)法马通 NTU032．1 盾构机每掘进1 环需消耗 HBW脂7kg，而海瑞克 S266 盾构机根本就不使用 HBW 脂。

　　3)盾尾脂和 HBW 脂的实际消耗小于设计消耗，说明在实际的使用中可能存在 2 种情况:一是盾构司机根据实际的使用状况加强了对盾尾脂和 HBW 脂的消耗控制，二是也可能存在 2 种油脂注入量不足的问题。因此要加强此 2 种油脂的注入监控管理。从表 3 中还可看出润滑油脂的实际消耗量大于设计消耗量，说明润滑油脂在使用管理上可能存在问题，如人工注入油脂管理不善，浪费严重或者存在着过量注入的现象。

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3 海瑞克 S266、S366 盾构机与法马通 NTU032．1盾构机的油脂消耗差异性分析

3． 1 结构差异对比分析

3． 1． 1 海瑞克 S266、S366 盾构机

3． 1． 1． 1 主驱动密封和润滑

　　1)结构特点。① 海瑞克 S266 盾构机主轴承直径是 2 600 mm，海瑞克 S366 盾构机主轴承直径是 3 000mm。②有 3 道唇形外密封，2 道唇形内密封，分别只有 1 个腔室需要注润滑脂;S366 盾构机设计有 HBW和 EP2 2 种密封和润滑系统;S266 盾构机只有 EP2 密封润滑系统。③设计有磨损超限滑动保护套，可以实现减少润滑脂的消耗量，当保护套磨损量大影响密封时更换保护套。

　　2)消耗分析。①内、外密封只在 1 个密封腔室中注润滑脂，另 1 个腔室作为判别密封好坏的漏油检测腔室，由于注入的腔室数少，油脂消耗小。②内密封不暴露在土仓中，不受土仓压力及渣土的影响，可减少油脂消耗。③磨损超限后可更换滑动保护套，提高主轴承的寿命，可减少注入润滑脂及时更换滑动保护套。④S266 盾构机没有 HBW 密封脂系统，S366盾构机的 HBW 脂系统只对外密封进行充注，内密封不充注，消耗量小。⑤只采用注脂量控制模式，注脂消耗量小。

3． 1． 1． 2 螺旋输送机

　　1)结构特点。①螺旋输送机驱动采用球铰形支撑连接方式，螺旋轴可以自由摆动，有利于螺旋轴的受力和力的传递。②润滑密封方式与主驱动的密封润滑方式相同。

　　2)消耗分析。由于球铰处和输出轴处都同时需要注润滑脂，油脂的消耗量较法马通盾构机要大。

3． 1． 1． 3 旋转接头

　　1)结构特点。①旋转接头不暴露在土仓里，直接连到刀盘背面，不需要注 HBW 密封脂。②单独设有 5根油脂管分注到旋转接头的泡沫密封管处。

　　2)消耗分析。①只需注入少量润滑脂进行旋转接头的润滑和泡沫腔室密封用。②旋转接头处泡沫腔室的注脂密封管路是各自独立的，一处泡沫密封出现问题不会影响其他注脂系统的使用。

3． 1． 1． 4 盾尾密封系统

　　1)结构特点。①盾尾刷焊接在尾盾钢环的台下，可通过钢环构成的台有效地保证管片拼装上后尾刷能构成有效的密封腔室。②盾尾的结构保证了盾尾刷厚度可达到 30 mm 左右，可有效保证形成的密封腔室的有效性。

　　2)消耗分析。①盾尾刷焊在钢环台下，容易构成有效的密封腔室。②盾尾刷厚钢丝、多密封、效果好，可减少油脂的消耗量。

3． 1． 2 法马通 NTU032． 1 盾构机

3． 1． 2． 1 主驱动密封和润滑

　　1)结构特点。①主轴承直径 3 000 mm，主轴承的内、外密封全部暴露在土仓中。②有内、外 3 道唇形外密封，对构成的 2 个腔室全部进行注脂润滑，同时主轴承设有水冷却系统，对内、外密封进行冷却。③有HBW 和 EP2 2 种密封和润滑系统。④油脂的注入采用了压力控制和注脂量双重控制。

　　2)消耗分析。①内、外密封的 2 个腔室中都注润滑脂，注入的腔室数较海瑞克机器要多，油脂消耗量大。②内、外密封都暴露在土仓中，受土仓压力及渣土的影响，为保护主轴承需加大油脂注入量。③没有磨损超限保护套，为确保主轴承的使用寿命和可靠运行，在设计上内、外密封的迷宫处都注有 HBW 脂，油脂消耗上较海瑞克机器大。④为提高主轴承寿命，在唇形密封较软的条件下为确保可靠密封及润滑的可靠同时采用了注脂量和注脂压力 2 种控制模式，在油脂的消耗上较海瑞克机器大。

3． 1． 2． 2 螺旋输送机

　　1)结构特点。①螺旋输送机驱动采用 2 个圆锥滚子轴承支撑传动轴的方式，螺旋轴呈悬臂支出状态。②润滑密封方式与主驱动的密封采用 3 道唇形密封的润滑方式相同，但不用 HBW 密封脂。

　　2)消耗分析。只有轴承处注润滑脂，因而油脂消耗量小。

3． 1． 2． 3 旋转接头

　　1)结构特点。①旋转接头伸到土仓里，直接与渣土互相接触，即要注 HBW 脂又要注润滑脂。②只设有 2 根油脂管路接到 1 个油脂腔中，再分到泡沫密封腔的 4 个注脂点处。

　　2)消耗分析。①为封住土仓内的渣土需要注入较多的润滑脂和 HBW 脂。②泡沫腔室的注脂密封管路是并联设置的，一旦有一处密封不严就会造成全部的注脂系统失效或密封脂消耗量大增。

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3． 1． 2． 4 盾尾密封系统

　　1)结构特点。①盾尾刷焊接在尾盾钢环的台上，管片拼装上后直接压到尾刷上，易将盾尾刷压平，构成的密封腔室效果差，不易保压和易产生漏浆。②盾尾的结构决定了盾尾刷厚度只能达到 25 mm 左右，尾刷薄钢丝少，构成的密封腔室的有效性比海瑞克机器差，油脂消耗量较海瑞克大。

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)消耗分析。①盾尾刷焊在钢环台上，不易构成有效的密封腔室。②盾尾刷薄钢丝、少密封、效果差，加大了油脂的消耗量。

3． 2 小结

　　1)法马通盾构机与海瑞克盾构机在油脂消耗上的差异性是由 2 种盾构机的结构型式的差异性所决定的。

　　2)从 2 种盾构机在油脂消耗部位在结构上的差异性可看出法马通盾构机油脂消耗量较海瑞克盾构机油脂消耗量要大。

4 结论与建议

　　通过以上对海瑞克 S266 和 S366 盾构机与法马通NTU032．1 盾构机的分析和对比可得出如下结论及建议:

　　1)同机型和同规格的法马通盾构机与海瑞克盾构机相比在润滑脂、盾尾密封脂、HBW 润滑密封脂上的消耗都高，这些油脂消耗高的原因是由 2 种机型的盾构机不同的结构特点所决定的。

　　2)在实际使用法马通盾构机和海瑞克盾构机中要充分了解这 2 种盾构机的特点，将消耗控制在合理的范围内，不要片面追求降低油脂的消耗而出现不必要的失误和损失。