再制造技术在盾构机修复中的应用

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摘  要：目前盾构施工工法已经在国内得到广泛应用，国内盾构机保有数量已达1200余台。盾构机经过一段时间或一定里程的隧道掘进施工后，部分零部件由于磨损、疲劳、腐蚀、老化等原因导致设备性能降低或系统失效时，必须进行修复或技术改造，以恢复或提高设备的技术性能，确保后续工程施工顺利进行。盾构机的关键零部件大多为进口产品，其价格昂贵，在维修过程中若直接更换，势必增加修复成本，而且造成浪费。近年来，随着再制造技术不断创新、发展和成熟，该技术也在盾构机修复中得到了更多应用。通过总结再制造技术在盾构机关键零部件修复中的应用，促进再制造技术不断扩大应用领域，为工程机械修复提供可借鉴的实践经验。

关键词：盾构机；再制造；磨损；修复；一、再制造技术概述再制造就是以旧的机器设备为毛坯，采用专门的工艺和技术，在原有制造的基础上进行一次新的制造，而且重新制造出来的产品无论是性能还是质量均等于或优于原先的新品。

再制造是一种对废旧产品实施高技术修复和改造的产业，它针对的是损坏或将报废的零部件，在性能失效分析、寿命评估等分析的基础上，进行再制造工程设计，采用一系列相关的先进制造技术，使再制造产品质量达到或超过新品。与制造新品相比，再制造产品可节省成本50%，节能60%，节材70%，几乎不产生固体废物。2009年1月实施的《循环经济促进法》将再制造纳入法制化轨道。

二、盾构机维修概述目前盾构施工工法已经在国内得到广泛应用，国内盾构机保有数量已达1200余台。单台盾构机如果按照每年平均掘进1～2km计算，一般单台盾构机在5～6年后就已经达到使用寿命（单台盾构的设计寿命约10km）。盾构机日常运转工作的环境处于高温、高湿、多粉尘的地下，盾构机长时间施工将会造成多个系统零部件的磨损、疲劳、腐蚀、老化等情况；因此，盾构机的维修保养就尤为重要。目前盾构机的维修保养大多采用更换新件的方法，维修时购买新件尤其是进口件采购周期长，还将投入大量的资金成本。随着再制造技术的不断丰富和发展，将先进的再制造技术应用到盾构机零部件的修复中，通过对原有零部件的再制造修复赋予旧零部件新的生命，必将大大缩短盾构机修复工期，而且具有可观的经济效益和社会效益，目前我国盾构机零件的维修保养工程需求巨大。

北京奥宇可鑫表面工程技术有限公司始建于1992年，近年来专业从事盾构机设备零部件的再制造修复。公司拥有五项国内领先技术，一项世界领先技术，两项国内首创，一项具有推动行业向前发展作用的技术；是北京市高新技术企业、北京市循环经济重点领域首批试点单位、中国设备管理协会机械零件修理中心、中国设备维修一级资质企业、中国质量信誉咨询系统理事单位、北京市质量管理规范重点宣传单位、首都部分高校科技与生产力转化基地。

奥宇可鑫公司现有国内最先进的激光、喷涂设备、电镀设施及多台大型的机械加工设备，配合奥宇可鑫常温修复技术，可以满足不同设备零件的修复。

奥宇可鑫常温修复技术特点：

1．零件在修复过程中，始终处于常温状态，不产生内应力、无热变形、无裂纹、无退火软化现象，无断、裂的潜在影响。

2．结合强度高、不产生脱落现象。

3．修补处的机械性能高，通过选择不同的修复材料可满足不同性能零件的技术要求，既可以把不同性能的材料修复到同一种材质的零件上，修复后的零件在硬度、耐磨、耐腐蚀等方面可达到或超过新品。

4．技术先进，对修复零件材质无特殊要求。各种确定材质及不明材质以及表面镀铬、镀镍、镀钛等复合材质的零件均可修复。

5．修复位置准确、灵活，修复量精确可控，修复后可进行机械加工，也可不进行加工直接装机使用。

6．对于大型设备或精密设备，可实施现场不解体修复，以保证各部位的配合精度。

到目前为止北京奥宇可鑫公司已成功应用再制造技术，为多家盾构施工企业维修盾构机刀盘、主驱动（驱动外壳、主轴承、密封耐磨钢环）、中心回转体、螺旋输送机、推进油缸等零部件，维修后的性能和质量不低于新品，合格率百分之百，节省了购买新件的等待时间、节约了成本，而且与制造新品相比对环境的不良影响显著降低。



图2 奥宇可鑫常温修补机      图3  修补机专利证书

三、再制造技术在盾构机零部件修复中应用实例1．盾构机主驱动外壳密封套磨损表面再制造技术

⑴．盾构机主驱动外壳磨损情况分析

某国外品牌盾构机完成3km隧道掘进后进行检修，其主驱动壳体外圈直径约4m，其壳体密封套出现磨损位置为3处：分别是外圈密封位磨损长度约9.2m，宽度200mm，最深处磨损约7mm；内圈密封位磨损长度约6m，宽度200mm，最深处磨损约5mm；外圈密封位内侧和外圈有深度不等的拉划伤长约2m。盾构机主驱动密封位磨损间隙变大，轻者会出现润滑油消耗量增加，重者密封失效，泥砂侵入就会造成润滑油污染、摩擦力加大、影响运转甚至卡死。



根据盾构机制造厂提供的材质资料和现场勘察，确定磨损处结构为焊接成型，磨损处具备热焊修复性能。磨损位置虽然在制造时是焊接成型，但制造时焊接后有机械加工工序来消除焊接变形及应力，以及相应成套的加工后处理技术来保证几何尺寸精度。而修复后不能再进行二次整体机械加工，因此在修复过程中必须确保不能产生修复变形，一旦变形，修复零件将报废。

⑵．修复难点及技术保障

第一、应力的控制与管理

修复过程中会有大量热输入，随之会产生大量内应力，内应力的产生会带来零件的变形和断裂等潜在隐患。特别是对盾构机主驱动这样受力大的箱体结构件，这种影响就更不能忽视。内应力的产生与变化对修复件的使用寿命起着重要的影响。控制拉应力的大小，并科学的将拉应力适量转化为压应力使修复位置提高使用性能是修复最为关键的技术。

第二、修复后尺寸精度的保证

根据密封圈的形状和硬度判断，如果修复后精度不高，即使磨损的沟槽修复起来了也起不到密封作用，因为如果修复后尺寸精度低，出现微观波浪形不平整现象，密封时就会出现间隙，盾构机土舱内的渣土就会在压力的作用下从间隙处被挤入内部并参与磨损，可能会带来更大损失。

第三、修补材料的选择与搭配

从修补材料的耐磨性、致密性、结合强度以及与壳体材质的匹配性等多方面选择修补材料。针对盾构机使用环境恶劣、复杂和不易在施工过程中进行再次修复等多种特性，确定选择复合材料进行修复。

⑶．表面再制造修复工艺

检测：对现有磨损状态进行检测，主要检测磨损量和修复位置是否有裂纹出现，此内容对是否能成功焊补起着重要作用。

试验室试验：在模拟基材上将确定的修复材料进行修复试验，确定最佳修复材料及工艺。

现场试验：先选择非工作面试验，再选择局部工作面试验。经检测、评审，最终确定修复材料及工艺，并将图片、文字资料存档备案。

工艺流程：清洗（物理、化学）→检测（裂纹、磨损量）→试验（材料、工艺）→补焊（多次熔焊、恢复尺寸）→应力（检测、消除）→粗磨（机械工装）→精研（模具工装）→检测（尺寸精度）→表面处理（应力转化、修复材质二次强化）。

⑷．应力的监测与消除及转化

应力监测与消除：用应力检测仪器对在修复过程中产生的内应力进行科学检测与消除。

应力的转化：使用专用应力处理设备对工作面的残余应力进行拉应力与压应力的转化。

⑸．修复过程中热输入量的控制

在修复过程中为了减少热影响区，使用专用散热材料进行涂覆，并根据热输入量控制每次的热输入时间，并在修复长度上分段进行。

⑹．工装设计

盾构机主驱动密封主要靠壳体密封面挤压唇型密封圈形成过盈变形起到密封作用。修复后的尺寸修复工作量大、要求精度高。据现场情况将机械与手工相结合，设计专用工装卡具进行现场加工以保证修复尺寸，同时设计专用加工精研模具进行后期研磨，设计专用加工检测模具进行后期尺寸精度检测。

⑺．修复后使用情况

主驱动外壳修复完成后，该盾构机完成了2.1km的盾构区间隧道施工，经解体检查，发现修复后的驱动外壳密封套表面仅有1mm深的轻微磨损。修复的部件性能完全达到了原有部件的各项技术性能。2．盾构机中心回转体磨损表面再制造技术

⑴．中心回转体磨损情况分析

中心回转体安装在盾构机主驱动中心位置，与土仓隔板相连，其主要功能就是向盾构土仓前方输送各类液体材料。中心回转体由定子和转子两大部分组成，根据掘进需要，定子和转子之间被密封分隔成若干独立通道，渣土改良材料、仿行刀液压油、刀具磨损装置密封油、电信号线等在盾构掘进时随着刀盘的旋转，从各个通道被输送传递到土仓前部。

由于盾构掘进时输送的渣土改良材料含有微细颗粒，在压力和流速的不断作用下，中心回转体转子和定子之间会产生磨损，导致中心回转体内密封磨损、老化失效，几个独立的注入通道相互窜通，中心回转体的转子表面镀层磨损、腐蚀、剥落，造成密封失效，磨损严重时相邻通道会窜通，导致改良材料注入效率下降，甚至无法向前注入。

以图7为例，中心回转转子直径210mm，表面镀层磨损、腐蚀、剥落，最深处约2.5mm。根据盾构机制造厂提供的图纸，确定此零件无法用常规的热处理方式进行维修，针对此情况，奥宇可鑫公司采用公司专利技术，常温冷熔技术与纳米电刷镀技术相结合的方法对此零件进行修复。

⑵．修复难点及技术保障

由于采用常温技术进行修复，修复过程中零件始终处于常温状态，不产生内应力、无热变形、无裂纹、无退火软化现象，无断、裂的潜在影响。

首先将磨损较深处用常温冷熔技术进行焊补，补材采用与基材性能匹配的材料，填平沟槽后进行第一次机械加工。整体加工尺寸保证与标准尺寸直径相差约50丝，以保证后期镀层厚度。

然后在转子初步加工完成的基础上，用纳米电刷镀技术进行镀层恢复，刷镀时应作好非刷镀面的保护，保证刷镀位置镀层致密、结合强度高，刷镀后当整体尺寸高于标准尺寸约60丝后，进行第二次机械加工，加工到图纸要求的标准尺寸，保证精度要求。

最后将加工好的中心回转转子进行回装，安装完成后进行打压试验。

工艺流程：清洗（物理、化学）→检测（裂纹、磨损量）→试验（材料、工艺）→补焊（恢复尺寸）→粗磨（机械加工）→刷镀（恢复尺寸）→精研（机械加工）→打压试验。

注：此工艺也适用于盾构机推进千斤顶油缸磨损修复及表面有镀层的液压零件。

四、总结

近年来我国基础设施建设领域持续高速发展，各种工程机械的使用量大增，同时，随着使用年限增加工程机械正在进入报废的高峰期，工程机械市场巨大的保有量为工程机械再制造产业提供了充足的再制造资源。通过对盾构机等大型工程机械关键零部件磨损的再制造修复技术研究，逐步形成对于废旧零部件损伤和剩余寿命的评估技术与方法；并针对不同形状、不同损伤形式、不同材质的零部件形成不同的再制造修复技术体系，为工程机械修复提供可借鉴的实践经验，推进工程机械行业走出节能、降耗、减排的发展路线。

参考文献：

[1] 桂轶雄．φ6.14m日立盾构机大修改造技术研究[C]//中国城市地下空间开发高峰论坛论文集．武汉，2011：145-147

[2] 乐贵平．浅谈北京地区地铁隧道施工用盾构机选型[J]．现代隧道技术，2003，40(03)：14-30．

[3] 缪  楠．土压平衡盾构机主驱动密封滑道磨损处理[J]．隧道建设，2013年11月：第33卷，第11期，977-981．

作者信息：

①曹  晶：北京奥宇可鑫表面工程技术有限公司   15045680108

②桂轶雄：北京城建设计发展集团股份有限公司  高工  13391676969

来源：奥宇可鑫特种修复

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