TBM離合器摩擦片失效成因及對(duì)策

1、TBM離合器摩擦片失效成因及對(duì)策徐明新 杜立杰石家莊鐵道學(xué)院 河北 石家莊 050043摘要：西康鐵路秦嶺隧道TBM驅(qū)動(dòng)離合器摩擦片磨損嚴(yán)重，平均不到一公里就要更換，換件成本高且耽誤掘進(jìn)工期。文章從施工、維修過(guò)程和摩擦材料等方面分析了造成離合器摩擦片早期失效的原因，提出相應(yīng)減磨措施，在西南線(xiàn)桃花鋪隧道和磨溝嶺隧道施工中成效顯著。關(guān)鍵詞：TBM 離合器 摩擦片 失效The invalidation reasons and countermeasures of TBM clutchs friction pieceXu mingxin，Du lijie(Department of Mechanica

2、l Engineering,Shijiazhuang railway institute, Shijiazhuang 050043, China) Abstract: The clutchs friction pieces of TBM, which were used in Xian to Ankang railways Qinling tunnel, were abraded seriously and replaced less than per kilometer. The cost of the replacement is great high. Moreover, It dela

3、yed the time of boring. In this paper, the reason, which caused clutchs ribbing slice to invalidate in the initial stages, were analyzed on the way of construction, maintaining procedure and the rubbing materials. Furthermore, the according measures of lessening friction were presented.Key words: tu

4、nnel boring machine(TBM)；clutch；friction disc ；invalidation1 概述TBM的驅(qū)動(dòng)離合器摩擦片是全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)傳輸動(dòng)力易損的重要零部件。據(jù)統(tǒng)計(jì)：在西康鐵道秦嶺隧道施工過(guò)程中，由于隧道埋深大，地質(zhì)條件復(fù)雜，高地應(yīng)力、巖爆和圍巖失穩(wěn)等地質(zhì)災(zāi)害繁多，TBM的工作條件非常惡劣，致使驅(qū)動(dòng)離合器摩擦片非正常磨損嚴(yán)重，平均不到一公里就要更換，每片進(jìn)口摩擦片平均折合人民幣10000元，而TBM中共有24片摩擦片，全部更換一次費(fèi)用高達(dá)24萬(wàn)元1。通過(guò)長(zhǎng)期工程實(shí)踐，找到了摩擦片早期失效的成因。2 成因分析摩擦部件運(yùn)用摩擦力原理進(jìn)行工作，它能吸收動(dòng)能并轉(zhuǎn)化成

5、熱散發(fā)到空氣中，材料本身無(wú)損害性磨損，摩擦部件不破壞，因而要求摩擦材料有足夠高而穩(wěn)定的磨擦系數(shù)、高的耐磨性、耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度，噪音低及不損傷對(duì)偶2。由于TBM離合器在隧道內(nèi)工作的特殊環(huán)境，TBM離合器的工作狀況和摩擦條件實(shí)際上達(dá)不到理想的靜摩擦狀態(tài)。離合器在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)過(guò)度磨損等失效形式，成因很多，主要因素分析如下：（1）離合器打滑當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較惡劣時(shí)，刀盤(pán)可能承受很大的負(fù)載扭矩，一旦超過(guò)離合器的最大傳遞扭矩（電驅(qū)動(dòng)95%傳遞效率時(shí)最大傳遞扭矩為5800kNm、脫困扭矩為8700kNm），離合器將出現(xiàn)打滑并導(dǎo)致摩擦片急劇磨損（見(jiàn)圖1）：1）力釋放較快、巖爆嚴(yán)重地段，因刀盤(pán)前部會(huì)有大塊巖 塊爆

6、出卡滯刀盤(pán)的可能，從而導(dǎo)致過(guò)載停機(jī)，離合器打滑（例如：1999 年4月19日9時(shí)，掘進(jìn)里程為DK77+846，刀盤(pán)前部隧道中心坍落一3m3巨大巖塊，導(dǎo)致刀盤(pán)被卡滯，難于旋轉(zhuǎn)，不得不將刀盤(pán)強(qiáng)制后退1 m，才起動(dòng)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)）。 圖1 TBM摩擦片嚴(yán)重磨損2）大塌方地段，由于大量塌落的碎石擠緊刀盤(pán)和護(hù)盾，同樣會(huì)造成刀盤(pán)卡滯，阻力矩過(guò)大刀盤(pán)轉(zhuǎn)不動(dòng)導(dǎo)致離合器打滑。3）由于突然停電等偶發(fā)原因造成主機(jī)急停，由于刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)的慣性，離合器雖然失去驅(qū)動(dòng)力矩依然旋轉(zhuǎn)，而離合器接合油壓釋放緩慢，摩擦片與壓盤(pán)若即若離，導(dǎo)致摩擦片持續(xù)打滑而急劇磨損。4）更換離合器時(shí)，不慎將液壓輔助驅(qū)動(dòng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)的制動(dòng)油路接反，導(dǎo)致離合器接合

7、時(shí)，變速箱制動(dòng)油路無(wú)油壓造成制動(dòng)器制動(dòng)閉鎖，離合器打滑，旋轉(zhuǎn)動(dòng)力無(wú)法傳遞到刀盤(pán)，短時(shí)間內(nèi)摩擦片急劇磨損直至報(bào)廢。5）離合器不慎漏入油液、粉塵和水分。6）離合器打滑后，產(chǎn)生巨大的滑摩功，不僅加劇自身的磨損，而且還將加劇溫升的變化，進(jìn)一步對(duì)離合器造成危害，加快離合器的失效。（2）離合器接合、分離不徹底，摩擦片偏磨離合器接合和分離過(guò)程中，由離合器零件的卡滯造成摩擦片磨損原因如下：1）離合器彈簧軸啃咬、磨損（最大深痕1.27mm）：由于離合器頻繁接合分離，卡滯造成壓盤(pán)之間偏斜、摩擦片偏磨（同一面摩擦片圓周方向間隔120三個(gè)測(cè)點(diǎn)厚度相差0.67mm）。 圖2 TBM離合器彈簧軸啃咬現(xiàn)象2）離合器工作過(guò)程

8、中芯軸孔和芯軸的微動(dòng)磨損（最大達(dá)0.32mm），進(jìn)而影響離合器接合分離時(shí)的運(yùn)動(dòng)精度（見(jiàn)圖2）。3）離合器兩層主動(dòng)壓盤(pán)之間彈簧高差顯著（同一批新彈簧自由狀態(tài)高度差最大為3.68mm）、由于高溫造成彈簧變性，剛度不一致，導(dǎo)致壓盤(pán)間偏斜。4）壓盤(pán)翹曲變形（見(jiàn)圖3）和燒損（見(jiàn)圖4）：由于離合器頻繁接合、打滑或打滑持續(xù)時(shí)間太長(zhǎng)，產(chǎn)生巨大滑磨功和壓盤(pán)熱變形（180范圍翹曲變形最大可達(dá)0.60mm），加劇摩擦片偏磨和磨損，甚至引起壓盤(pán)與摩擦片之間局部高溫，發(fā)生粘著和材料轉(zhuǎn)移。5）離合器碟簧失效：由于打滑產(chǎn)生高溫，促使碟簧失去彈性而失效，進(jìn)而使離合器分離不徹底。 圖3 離合器壓盤(pán)翹曲變形和偏磨 圖4 離合器壓

9、盤(pán)燒損6）離合器軸承失效：由于離合器打滑、高溫和壓盤(pán)翹曲變形，離合器軸承內(nèi)潤(rùn)滑油脂流失，致使軸承缺油運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而燒損軸承保持架、滾子、內(nèi)外圈和油脂護(hù)蓋，嚴(yán)重時(shí)軸承與齒輪軸燒結(jié)粘連，離合器無(wú)法分離。7）離合器液壓接合油路故障：離合器接合油路微量泄漏或活塞缸螺塞松動(dòng)，接合油壓達(dá)不到額定值，使離合器接合處于若即若離狀態(tài),導(dǎo)致摩擦片快速磨損。（3） 離合器頻繁接合1）離合器接合次數(shù)增加后會(huì)導(dǎo)致其平均接合溫升大。離合器磨損時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的滑摩功，相應(yīng)地會(huì)使離合器的溫度升高。溫度升高后，摩擦片材料的磨損性能變差，不僅削弱甚至完全破壞離合器的動(dòng)力傳遞能力，而且形成磨損加劇的惡性循環(huán)。另外，溫度過(guò)高會(huì)使?jié)櫥偷?/p>

10、潤(rùn)滑性能變差，從而導(dǎo)致嚙合摩擦力加大，并使從動(dòng)摩擦片受載不均，于是油壓壓緊力不足，加大滑摩的機(jī)率。因此，離合器的工作環(huán)境溫度范圍規(guī)定為-200C+800C（短時(shí)間允許1000C）。因此，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)監(jiān)控離合器的工作溫度，盡量減小離合器在連續(xù)工作過(guò)程中的接合次數(shù)，保證滑動(dòng)過(guò)程的最小間隔時(shí)間大于10分鐘。如果打滑現(xiàn)象嚴(yán)重，則要求掘進(jìn)時(shí)控制最大扭矩或斟情控制工作進(jìn)度，盡量延長(zhǎng)離合器使用壽命，還應(yīng)根據(jù)離合器的實(shí)際使用情況適時(shí)更換摩擦片，保證TBM正常工作。2）離合器接合時(shí)具有一定的接合時(shí)間。在接合過(guò)程中，摩擦片間將發(fā)生很大的相對(duì)滑動(dòng)。因此，應(yīng)控制離合器的接合轉(zhuǎn)速。如果轉(zhuǎn)速太大，則接合過(guò)程將產(chǎn)生巨大的滑摩功，

11、造成嚴(yán)重的溫升現(xiàn)象，導(dǎo)致離合器的工作性能變差并縮短摩擦片的使用壽命，加快離合器的工作失效。為此，規(guī)定離合器的最大接合轉(zhuǎn)速為1488rpm/744rpm。（4） 使用保養(yǎng)問(wèn)題1）液壓油的滲漏可能造成摩擦片表面被油污染，掘進(jìn)時(shí)主機(jī)附近的煙塵也會(huì)逐漸沉積在離合器罩內(nèi)，甚至淤積在壓盤(pán)和摩擦片之間，從而降低離合器的動(dòng)力傳遞能力。清洗機(jī)器時(shí)要特別注意，流進(jìn)離合器里的脂類(lèi)或腐蝕洗滌劑不僅降低其傳遞能力，而且會(huì)加快元件材料的失效導(dǎo)致離合器的工作失效；離合器工作之前，液壓腔內(nèi)如果有壓力，則會(huì)造成如前所述的多余磨損。要適時(shí)檢查液壓管路，保證無(wú)漏油現(xiàn)象；應(yīng)定期用壓縮空氣吹掃離合器，用專(zhuān)用清洗劑清洗摩擦片以保持離合器

12、摩擦片的潔凈；開(kāi)機(jī)前保證液壓腔內(nèi)無(wú)油壓。2） TBM離合器具有一定的磨損自動(dòng)補(bǔ)償能力。如果離合器接合時(shí)的沖程體積大于20cm3，則離合器將發(fā)生分離時(shí)的多余磨損；如果在最小負(fù)載下工作時(shí)的沖程體積小于120cm3，則離合器將發(fā)生打滑現(xiàn)象，不能有效傳遞動(dòng)力，兩種情況都會(huì)加快離合器的摩損失效。當(dāng)摩擦片磨損現(xiàn)象非常嚴(yán)重時(shí)，活塞的自由行程不能完全補(bǔ)償其磨損量，于是便不能實(shí)現(xiàn)離合器的接合，導(dǎo)致工作失效。維修保養(yǎng)時(shí)應(yīng)經(jīng)常檢查摩擦片的磨損程度和摩擦片自由移動(dòng)位移，一旦超過(guò)允許的設(shè)計(jì)值（接合元件的最大磨損量為15mm，挺桿座板與外摩擦片間的最大間隙為18+0.5mm），則需更換內(nèi)摩擦片。3）離合器工作時(shí)，由于振動(dòng)

13、和溫升的作用，其聯(lián)接處可能生變形或松動(dòng)現(xiàn)象，從而造成離合器的工作不穩(wěn)定和端蓋密封變差，導(dǎo)致雜質(zhì)進(jìn)入離合器，運(yùn)動(dòng)副間的配合能力下降，離合器的傳遞能力同樣可能下降，工作壽命縮短，失效進(jìn)程加快。因此，保養(yǎng)和維修離合器時(shí)，應(yīng)仔細(xì)檢查聯(lián)接件的安裝可靠性；檢查潤(rùn)滑油的使用情況，適時(shí)更換或補(bǔ)充，根據(jù)需要選用VG460潤(rùn)滑油。（5） 摩擦材料性能經(jīng)X射線(xiàn)能譜儀和金相組織分析，離合器摩擦片為石棉-金屬-樹(shù)脂基摩擦材料，該類(lèi)型的摩擦材料摩擦系數(shù)高而穩(wěn)定，磨損小。由于離合器工作時(shí)是靠?jī)?nèi)摩擦片（主動(dòng)件）和外摩擦片（從動(dòng)件）之間的摩擦來(lái)傳遞動(dòng)力，而且要利用離合器主、從動(dòng)部件的相對(duì)滑磨來(lái)保證刀盤(pán)平穩(wěn)起步和防止過(guò)載，離合器

14、的滑磨使摩擦表面產(chǎn)生大量的熱，溫度快速升高（100-350），摩擦系數(shù)急劇下降，摩擦片的磨損加劇，大大降低離合器的使用壽命，因而，要保證離合器良好的工作狀況，要求其摩擦系數(shù)隨溫度的變化能保持穩(wěn)定，進(jìn)口摩擦片試驗(yàn)結(jié)果如下：表1 TBM離合器進(jìn)口摩擦片摩擦磨損性能測(cè)試結(jié)果試驗(yàn)溫度（）100150200250300350摩擦系數(shù)升溫0.5160.4330.3500.3330.3330.316降溫0.3830.3830.3660.3660.3660.386磨損率V(10-7cm3/Nm)0.2110.2070.3110.3990.4610.412從表1看出，進(jìn)口摩擦片的摩擦系數(shù)在100時(shí)高達(dá)0.516

15、，150時(shí)達(dá)0.433，但隨溫度升高，摩擦系數(shù)下降很快，最大差值0.2,這是由于進(jìn)口片采用了含石棉摩擦材料，而石棉低溫摩擦系數(shù)高，但溫度在250以上石棉不斷析出其結(jié)晶水，高溫下摩擦系數(shù)下降很快，出現(xiàn)明顯的熱衰退現(xiàn)象。因此，離合器打滑在摩擦片表面將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重擦傷和劇烈磨損，溫度的升高會(huì)加速其失效。3 減磨措施為了避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，在TBM的施工掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)采取下列防范措施，以盡可能的延長(zhǎng)離合器的工作壽命，提高掘進(jìn)的效率和效益。（1）減少離合器打滑次數(shù)1）針對(duì)不同圍巖條件，采用相應(yīng)掘進(jìn)參數(shù)，控制掘進(jìn)推進(jìn)速度和推進(jìn)壓力，應(yīng)控制離合器的最大滑動(dòng)時(shí)間不超過(guò)4秒鐘，推薦采用表2掘進(jìn)參數(shù)。 表2 不同圍巖

16、類(lèi)型對(duì)應(yīng)的掘進(jìn)參數(shù)巖石類(lèi)別刀盤(pán)推進(jìn)速度/（mh-1）刀盤(pán)推力/MN扭矩/kNm刀盤(pán)轉(zhuǎn)速/rpmIV7080101270805.4V253516左右20305.4斷層地段40505635452.7遇到大塌方，及時(shí)進(jìn)行圍巖支護(hù)，主機(jī)適當(dāng)后退，減少刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)阻力矩和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速；盡量采用液壓輔助驅(qū)動(dòng)方式脫困，避免電機(jī)驅(qū)動(dòng)脫困方式和利用電機(jī)旋轉(zhuǎn)沖擊慣性進(jìn)行離合器接合方式。2）加強(qiáng)責(zé)任心，減少人為失誤造成的突然停電和主機(jī)急停，非緊急情況尤其不得隨意拉動(dòng)急停開(kāi)關(guān)。3）在TBM主機(jī)上維修和更換離合器時(shí)，主管技術(shù)人員應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)，仔細(xì)檢查油路連接是否正確，避免離合器接合油路與變速箱制動(dòng)油路接反，導(dǎo)致離合器接合而制動(dòng)油

17、路制動(dòng)，進(jìn)而迅速毀損摩擦片的惡性事故發(fā)生。4）主機(jī)操作人員或相關(guān)施工人員在掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)密切觀(guān)察設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況，發(fā)現(xiàn)離合器冒煙、異味或離合器接合油壓異常波動(dòng)(28bar)，立即報(bào)告并及時(shí)停機(jī)，避免摩擦片急劇磨損甚至更大損失。（2）嚴(yán)格離合器組裝工藝1）檢修離合器時(shí)，離合器彈簧軸、軸承、芯軸、彈簧、碟簧、壓盤(pán)等零件明顯磨損、變形失效者，一律更換新件。2）嚴(yán)格規(guī)范離合器組裝工藝：除遵守常規(guī)外，壓盤(pán)安裝前應(yīng)做平面精度檢查；同一層彈簧高度差不得大于0.5mm，彈簧剛度應(yīng)保持一致；離合器修理時(shí)軸承一律換新（進(jìn)口SKF 6218 2RS軸承的油脂防塵蓋密封效果好），軸承與孔的配合不得有明顯松動(dòng)，否則填充指定牌

18、號(hào)鎖固膠；安裝、拆卸時(shí)避免錘擊和強(qiáng)烈沖擊，以免損傷壓盤(pán)和軸承孔。對(duì)從動(dòng)摩擦片與齒輪軸齒輪的嚙合也提出了相應(yīng)的技術(shù)要求，以保護(hù)摩擦片避免不必要的打滑，并且避免技術(shù)安裝造成離合器接合時(shí)間的增加。為此，要求嚙合齒輪允許移動(dòng)的徑向距離為0.5mm；允許移動(dòng)的角度為0.5；允許移動(dòng)的軸向距離為2mm。齒輪軸上的齒輪如有明顯啃咬痕跡時(shí)，應(yīng)將其仔細(xì)打磨修平。（3）改進(jìn)摩擦片材料半金屬摩擦材料是一種介于石棉摩擦材料和金屬陶瓷摩擦材料之間的摩擦材料，一般可以在540以下使用。半金屬摩擦材料中含有較高的鐵和石墨（典型配方中用量高達(dá)一半以上），這一點(diǎn)類(lèi)似于金屬陶瓷摩擦材料。不過(guò)，它與燒結(jié)金屬陶瓷摩擦材料不同之處是鐵和石墨等組分要和有機(jī)樹(shù)脂混合，并進(jìn)行固化而粘結(jié)在一起，類(lèi)似于通用的石棉摩擦材料。半金屬摩擦材料的主