如今的隧道工程越來越多地應用現代化的掘進機（TBM），而掘進機的順利掘進則依賴于其關鍵部件——軸承與密封的持久可靠。來自瑞典軸承制造商SKF（斯凱孚）的專家便來和大家聊聊這些關鍵部件在設計、運行與維護中的挑戰，以及相關的解決方案。
軸承與密封的設計挑戰
由于TBM未配備倒檔，因此隧道掘進一旦開始便無回頭路；若掘進過程中出現問題，進入TBM內維修將是復雜、耗時且昂貴的工作，更換安裝在TBM內部的回轉軸承與密封尤其如此。作為TBM的核心部件，回轉軸承與密封一旦發生故障，更換將導致數月的工期延誤與數百萬美元的經濟損失。
對設計工程師而言，隧道工程中惡劣的條件給這些部件的可靠性與耐用性帶來了極大的挑戰，包括低速旋轉，高靜態荷載與沖擊荷載，以及骯臟、潮濕的環境，都將加速部件的磨耗與損壞。
TBM內部結構
西雅圖SR99隧道工程中，直徑17.45m的土壓平衡盾構Bertha便是由于主軸承密封損壞，最終導致了長達兩年的更換與工期延遲。
滾刀軸承
大型TBM配備大量滾刀，在滾子軸承上旋轉。實際掘進中，軸承承受高瞬態荷載；當刀具切削硬巖、巖層破裂時，荷載急劇變化。滾刀轉速取決于其在刀盤的位置，通常在10~20rpm。隨著TBM直徑不斷增大，滾刀直徑也相應增加，從多年前的13英寸標準增加至17甚至19英寸。
滾子軸承
設計挑戰
滾子軸承位置使其易在運作中遭到損壞，加之頻繁遭受沖擊載荷，制造時便需充分考慮不均勻荷載以及滾子、滾道表面的高局部受力。同時，為防止軸承失效，需避免滾道斷裂，導致單把滾刀阻塞、進而引發刀盤上其他滾刀的損壞。
■利用有限元分析工具，優化設計關鍵參數，提供性能；
■設計時針對形狀、材料與表面處理進行調整；
■對滾道幾何形狀的小幅調整便會對其不規則載荷承受能力產生較大影響；
■精確的表面硬化可使滾道保持足夠表面硬度的同時保持內芯的韌性，防止斷裂。
制造挑戰
測試滾刀軸承時無法99%模擬繁復的實際工況，因此：
■評估軸承設計時，需要結合經驗與計算機模擬結果；
■對從磨損的滾刀上拆下的軸承進行分析，也能為新滾刀軸承的設計提供有效的信息。
應用挑戰
由于滾刀的更換在地下進行，因此其結構必須較為簡單，使更換需要較少的時間、人力與專業工具。
■軸承的使用壽命也與適當的預荷載有關，需要在安裝軸承時設定。
■實際施工中，操作員在現場評估軸承預載荷的能力有限，需依賴在組裝期間測量的扭矩。
■為了幫助操作員完成裝配，滾刀軸承具有嚴格的尺寸公差，確保安裝扭矩和預荷載接近。
■其他因素包括安裝水平、潤滑情況等。
回轉軸承
回轉軸承作為整個TBM最關鍵的軸承，是齒輪傳動與刀盤轉動之間的連接件，并承受隧道掘進中的巨大荷載，其設計與制造要求更高。
回轉軸承
設計挑戰
制造商可以根據TBM直徑，預期的地質條件和整個設備的結構使用不同的軸承形式，對其進行高度定制。
■通過專用設計與優化軟件，對滾動元件，保持架，滾道，驅動齒輪等完整軸承結構進行建模，在給定的負載條件下精確計算軸承與齒輪的使用壽命。
■特殊情況下，滾道中可加入彈簧，以應對硬巖中的沖擊荷載。
制造挑戰
大直徑TBM的回轉軸承的制造也給運輸、裝配與維護帶來了挑戰：
■軸承可作為整個部件進行運輸，也可以拆分為包括密封系統在內的多個獨立組件，運至現場安裝；
■軸承可以分段制造，在TBM故障時便于運輸，安裝或更換。
■除TBM主軸承外，還有用于螺旋機的特殊回轉軸承。
軸承密封
回轉軸承依靠適當的潤滑與保護維持使用壽命，因此保護軸承免受隧道掘進中的惡劣環境影響的密封同樣是TBM的關鍵部件。
軸承密封
設計&制造挑戰
與回轉軸承本身一樣，主軸承密封同樣需要針對項目進行優化，其功能包括：保持軸承潤滑，阻隔外界水、泥漿與開挖土，并適應掘進中的偏移。
■制定材料，根據TBM尺寸確定并控制成品密封件的幾何形狀；
■軸承內通常使用多個串聯的唇形密封件，在其間加入潤滑劑。
■使用FEA荷載模擬確定偏移、加壓、油脂沖洗與安裝時的不同荷載情況。
■SKF開發了一種手持型專業焊接設備，可在不拆卸刀盤的情況下更換密封，減少停機時間。
FEA荷載模擬
如今，為了施工裝備的生命周期價值，建設者也在增加對于TBM組件的重復利用，降低成本，減少庫存，同時保護環境。其中，TBM軸承的再制造是良好的選擇。使用過的軸承返回專業的工廠或直接在工地進行清潔、拆卸與檢查，在更換或修復磨損的部件后，對其進行檢查記錄，重新安裝后即可再次投入工程應用。
