盾构机螺旋输送机螺杆改制技术

盾构机螺旋输送机螺杆改制技术

邹祺

上海隧道工程有限公司盾构分公司上海200127

摘要：在宁波3号线某标段盾构施工中，盾构机螺旋输送机螺杆出现两次断裂情况，分别进行了返厂维修和井下应急抢修，保证了隧道顺利贯通。为了防止类似情况出现，利用原有螺旋输送机螺杆进行改制，优化机械机构，增加了螺杆的强度和刚度。文章介绍了该螺杆的改制技术情况，既保证后施工的安全可靠性，又取得了一定的经济效益。

关键词：盾构机；螺旋输送机；螺杆；机械结构；改制

1概述

1.1工作机理

螺旋输送机是土压平衡盾构机实现渣土输送及土压平衡功能的关键零部件之一，安装于前壳体的底部和管片拼装机之间，它主要通过螺杆的旋转将刀盘破碎的渣土输送至皮带机，最后通过渣土车运送至洞外，同时通过形成的密封土塞保持密封舱内土压力，维持开挖面土体的稳定。复杂多变地质工况以及恶劣的工作环境使螺杆易出现过度磨损和断裂的故障。其工作原理见图1。

图1螺旋输送机工作原理图

1.2机械结构

螺杆主要由芯轴、螺旋叶片、连接法兰组成，其结构如图2所示。螺旋轴的设计长度一般约为12m，其长度超出了管材的标准长度。因此，螺旋轴的芯轴采用分段拼焊的方式加工而成。芯轴与连接法兰之间也采用焊接的方式进行连接。分段拼焊而成芯的机械性能必须能满足螺旋输送机的工况要求。如果芯轴的强度和刚度无法满足工况要求，有可能发生断轴事故。

图2螺杆结构图

2故障现象

第一次，盾构机进洞后发现螺杆后部靠近法兰盘连接处断裂（如图3），螺杆返厂维修（如图4）。第二次，盾构在正常推进过程中，螺旋机突然不能正常出土，此时螺旋机转速及扭矩有显示，初步判断螺杆可能断裂。打开螺旋机观察口并进行清理后确认螺杆同一位置断裂。螺杆芯轴断裂后盾构机将无法继续掘进，严重影响施工工期，并且洞内修复断裂的芯轴由于空间及现场条件的限制，操作难度非常大，同心度无法保证，耗时长。（如图5）

图3螺杆芯轴断裂图4螺杆返厂维修图5螺杆井下维修

3原因分析

根据盾构技术参数可知：螺旋机扭矩143.5KNm，螺杆直径约205mm。经仿真应力分析可知（如图6）：平均应力为147MPa，一般减速机最大扭矩是额定扭矩的3倍，目前螺杆与法兰盘连接采用焊接方式，第一次断裂发生在焊缝处，因此其焊缝强度强度估计不会大于430MPa，一般母材强度会与焊条强度对等，考虑可焊接性，因此估计螺杆材料可能是Q235-275；同时考虑到第二次断裂，由于断裂点为螺杆母材，假设同轴度差10mm的情况下，产生附加扭矩为2KNm，对整体强度影响不大，因此分析螺杆断裂的主要原因还是因为材料强度低，断裂的关键因素是瞬间过载以及疲劳裂纹的存在。

图6原结构应力分析图图7改制结构应力分析图

4改制方案

鉴于螺杆及安装法兰的材料和结构无法变更，只能从断裂处的结构进行完善。该螺杆为实心结构，且材料为Q235，考虑采用增加局部的螺杆直径来增加强度，这样及增加了螺杆的强度，又不会对出土量造成大的影响。将螺杆末端长度500mm处的直径增加60mm，同时与螺杆叶片相连，并增加6块加强筋，对原螺杆进行打磨，法兰端长约800mm的螺杆新制，在两个部件对接时需保证同轴度，采用塞焊和坡口焊的方式进行连接（如图8）。根据受力分析（如图7），螺杆末端平均应力变为66MPa，接头处的应力为50MPa，在材料不变的情况下，抵抗破坏的能力翻了1.2倍。具体工作量如下：

1）将原螺杆在断裂处处切断，轴头打磨，割除部分叶片；

2）末端螺杆新制，直径增加60mm，钻塞焊孔；

3）原法兰板利用，盘面车圆孔，尺寸大小与新制螺杆一致；

4）法兰板与新制螺杆坡口焊焊接，并焊烧强6个加筋板，之后以法兰为基准车螺杆内孔；

5）将前者和旧螺杆组装并焊接，焊接方式为塞焊及角焊，再将叶片焊接在螺杆上。焊接完成后，需对焊缝进行超声波探伤，以确保焊缝的强度能满足要求。

图8改制后结构示意图

5结论

为了减少螺旋输送机螺杆在多变且恶劣地质工况下因过断裂而引起故障发生，通过优化原有机械机构，选择焊接性能优良的材料以及采用先进的焊接工艺技术保证同心度，改善螺旋输送机的性能，提高了螺杆强度，达到了延长螺旋输送机使用寿命的效果。下阶段该应用成果将用于南通轨道交通建设项目的的盾构机上进行推广。

参考文献：

[1]谭永恒.螺旋输送机的改进与实践[J].中国井矿盐，2000，31：20-22.

[2]高钰.物料输送[M].北京：化学工业出版社出版社，1997．128-165.

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