TBM离合器摩擦片失效成因及对策

TBM离合器摩擦片失效成因及对策 TBM离合器摩擦片失效成因及对策 徐明新.杜立杰 石家庄铁道学院机械工程分院,|可北石家庄05(1043 [中国分类号]U4553?)[文献标识码]c Fhejnvalidationre,,sonsand [文章编号]Iiitll_554X(2(H)4j(}7I)1i04O4 ofTBMclutch'sfrictionpieces TBM的驱动离合器摩擦片是全断面岩石掘进 司力传输由易损的重要零部件.据统计,在西康 铁道秦岭隧道施工过程=P,由于隧道埋深大,地质 高地应,岩曝和蜀岩失稳等地质灾害 条件复杂, 繁多TBM的工作条件非常恶劣,致使驱动离台 器摩擦片非正常磨损严重,均不到1km就要更 换,1,BM中共有24摩擦片,全部更换一次费用很 高.通过长期工程实践,找了摩攘片早期失效的 成固. 1摩擦片早期失效成因分析 摩擦部件要求摩擦材料有昱够高而稳定的摩擦系 数,高的耐磨性,耐热性和机械强度,噪声低及不损 乍的特殊环 伤对偶.由于TBM离台器在隧道内工, 境,工作状况和摩擦条件实际上速不到理想的静摩擦 状态,离台器在使用过程中会出现过度磨损等失效形 式,成因很多.主要因素分析如. 11离台器打滑 当地质条件较恶劣时,刀盘可能承受很大的负载 扭矩,一旦超过离台器的最大传递扭矩,离台器将出 现打滑并导致摩攘片急剧磨损c见图I}. 图1II{M摩擦片严重磨损 c1)力释放较姨,肴爆严重地段.园刀盘前部会 有块岩石螵出卡滞刀盘的可能.从而导致过载停 机,离台器打滑. 【2)太塌方地段由子大量塌薷的碎石挤紧刀盘和 护盾,同样会造成刀盘专滞.阻力矩过大导致离台器 打滑. 【3)突然停电等偶发原匿造成圭机急停,由于刀 盘旋转的惯性,离舍器虽热失去驱动力矩依然旋转, 而离台器接台油压释放缓慢,摩擦片与压盘若即若 离,寻致摩擦片持续打滑而急剧磨损. e4】更换离台器时,慎将液压辅助驱动与电机 驱动的制动油踌接反,导致寓合器接台时变速箱制动 ;蛊路无油压造成制动器制动闭锁,脔台嚣打滑,短时 间内库攘片急剧磨损直至报废. (5)离台器不慎漏八油液,粉尘和水分. {6)离台器打滑后产生巨大的滑摩功,不仅加剧 自身的磨损,而且还将加剧温升的变化,进一步对离 台器造成危害,加快离合器的失效. 12离合器接合,分离不彻底.摩擦片偏磨 离合器接台和分离过程中,由离台器零件的卡滞 造成摩擦片磨损原因如下: (1)离台器弹簧轴啃咬,磨损c最大深痕 l27ram):由于离台器频繁接台分离,卡滞造成压盘 之间偏斜,摩擦片偏磨(同一面摩擦片圆周方向间隔 I211三个测点厚度相差cI.67ram),见图2 c2】寓合器工手乍过程中芯轴孔和芯轴的微动磨损 [收稿日期]211[13—12—26 [通讯地址]徐睛新,石家庄铁道学院机械工程分蔬 c最大达 动精度. 32ram1,进而影响离台器接合持离时的运离. 图rBM离台器弹簧轴啃睦现象 c3】离台器两层主动压盘之司弹簧高差显着【同 一 批新弹簧自由绩态高度差最大为3.68ram),固于 高温造成弹簧变形,刚度不一致,导致压盘问偏斜 《4)压盘翘曲变形(见图3)和烧损c见图4) 由于离合嚣频繁接台,打滑或打滑持续时间太长,产 生巨大滑磨功习压盘热变形(18?.范匿翘曲变形最大 可达0.6(Irnm)扪恩摩擦片偏磨和蘑损,甚至引起 压盘与摩擦产之间局部高温,发生粘着和材料转移. [5)离台器碟簧失效由于打滑产生高温,造成 碟簧失去弹悭而失效,进而使膏台器分离不捌底. 图4离台器压盘烧损 (6)离台器轴承失效?由于离舍器打滑,高温和 压盘翘曲变形.葛台器轴承困满滑泪脂流失,轴承缺 浊运转,进而烧损轴承保持架,滚子,内外围和油腊 护盖,严重时轴承与齿乾轴烧结粘连,离台器无法分 f7)离台器液压箍台油踌故瘴.离台器接台镝路 微量泄漏或活塞缸螺塞松动,接台泪压达不到额定 佳,使离台器硅台处于若即若离状态.导致摩擦快 速磨损. 13离合器频繁接台 cl}离台器接台次数增加导致其均接台温升 大.温度丹高后摩擦片材料的磨损性能变差,不仅 弱甚至完全破坏离合器的动力传递能刀,而且形成磨 损加县懿恶性框环.另外.温度过高会使润滑油的润 滑性能变差,从而导致啮台摩擦力加大.并使从动摩 擦片受载不均.加大滑摩的机率.畜合器能工作环境 温度范围规定为一21]?,+}t(短时间允许 1I1【},现霸应进符监控并尽量减小离合器在连续工 作过程中豹接台次数,保证滑动过程豹最小间隔时间 于1Omin奸果打滑现象严重,则要求掘进对控制 最大扭矩或斟情控制工作进度,尽量延长离台器使用 寿命,还应根据离合器的实际使甩情况适时更换摩擦 片.保证TBM正蒿工作. f2)离台器接台时具有一定的接舍时问.在接合 适程.摩擦片间将发生很大的礴对滑动.因此应控制 离合器的接台转速,转速过大则接台过程将产生巨大 的滑摩功.造r姣严重的湿升现象,导致离台器的二作 ' 生能变差算缩短摩擦片的使用寿翕.加快离合器的工 作失效.为此.规定离台器韵最大接合转速为744 1488r/h~in. l4使用保养问题 1])液压油的渗漏可能造成摩擦片面被油污 耍,掘进时主机附近的烟尘也会逐渐沉积在离台器罩 内,甚至淤壤在压盘和摩擦片之间,从而降低离台器 力传递能力.清洗机器时要特别注意,流进离台 器里的脂类或廨蚀性洗涤剂不仅会降低其传递能力, 而且会加1元件材料损坏而导致离台器工作失效.离 台器工作前液压腔内如有压力,则会造成多余磨损, 因此要适时检查液压管路,保证无满油现象.应定期 用压缩空气吹扫离台器,用专用清洗剂清洗摩擦片, 保持离台器摩擦片的洁净. c2)TBM离台器具有一定的磨损圭动补偿能刀. 姬果离台器接台时的阳程蚀积大干I2i~cm',则离 合器将发皇分离时的多余磨损;如果在最小负载下 _ 96 20047 工作时的冲程体积小于I2()cm,则离合器将发生打 滑现象,两种情况都会加快离合器的磨损失效.当 摩擦片磨损现象非常严重时,活塞的自由行程不能 完全补偿其磨损量,便不能实现离合器的接合,导 致工作失效.维修保养时应经常检查摩擦片的磨损 程度和摩擦片自由移动位移,一旦超过允许的值 (接合元件的最大磨损量为I5mm,挺杆座板与外摩 擦片问的最大间隙为I8+().5mm),则需更换内摩 擦片. (3)离合器工作时由于振动和温升的作用,其连 接处可能产生变形或松动现象,从而造成离合器工作 不稳定和端盖密封变差,导致杂质进入离合器,其传 递能力同样可能下降,工作寿命缩短,失效进程加 快.因此,保养和维修离合器时,应仔细检查连接件 的安装可靠性,检查润滑油的使用情况,适时更换或 补充. I5摩擦材料性能 经x射线能谱仪和金相组织分析,离合器摩擦片 为石棉一金属一树脂基摩擦材料,该类型的摩擦材料 摩擦系数高而稳定,磨损小.由于离合器工作时是靠 内摩擦片(主动件)和外摩擦片(从动件)之间的摩 擦来传递动力,而且要利用离合器主,从动部件的相 对滑磨来保证刀盘平稳起步和防止过载,离合器的滑 磨使摩擦表面产生大量的热,温度快速升高(I()(), 35{)?),摩擦系数急剧下降,摩擦片的磨损加剧,大 大降低离合器的使用寿命.因而要保证离合器良好的 工作状况,要求其摩擦系数随温度的变化能保持稳 定.进口摩擦片试验结果见表I. 表1TBM离合器进口摩擦片摩擦磨损性能测试结果 试验温度(?)1【)()15【)2【)()25()30【)35() 摩擦I升温().516().433()35()().333()333()316 系数f降温().383()383()366().366().366()386 磨损率 ().211().2()7()311().399().461()412 V(1().CITI/Nm) 从表1看出,进口摩擦片的摩擦系数在1I){)?时 摩擦 高达().5I6,I5()?时达().433,但随温度升高,系数下降很快,最大差值达(1.2.这是由于进口片采 用了含石棉摩擦材料,石棉低温摩擦系数高,当温度 25{)?以上时石棉不断析出结晶水,高温下摩擦系数 下降很快,出现明显的热衰退现象. 2减磨 为了避免上述现象的发生,在TBM的施工掘进 过程中应采取下列防范措施,尽可能地延长离合器的 工作寿命,提高掘进的效率和效益. 2I减少离合器打滑次数 (I)针对不同围岩条件,采用相应掘进参数,控 制掘进推进速度和推进压力,应控制离合器的最大滑 动时I,司不超过4s,推荐采用表2的掘进参数. 表2不同围岩类型对应的掘进参数 刀盘推进刀盘推力扭矩刀盘转速岩 石类别速度 (m/h)(M)(kN?m)(r/rain) lV7I】,8{)1{),127{),8{)54 V25,3516左右2(),3()5.4 断层地段4(),5()5,635,452.7 遇到大塌方应及时进行围岩支护,主机适当后 退,减少刀盘旋转阻力矩和刀盘转速;尽量采用液压 辅助驱动方式脱困,避免电机驱动脱困方式和利用电 机旋转冲击惯性进行离合器接合方式. (2)减少人为失误造成的突然停电和主机急停, 非紧急情况不得随意拉动急停开关. (3)在TBM主机上维修和更换离合器时,应仔 细检查油路连接是否正确,避免离合器接合油路与变 速箱制动油路接反,导致离合器接合而制动油路制 动,发生迅速毁损摩擦片的恶性事故. (4)掘进过程中应密切观察设备运转情况,发 现离合器冒烟,异味或离合器接合油压异常波动 (<2.8MPa),立即并及时停机,避免摩擦片急 剧磨损甚至更大损失. 2.2严格离合器组装工艺 (1)检修离合器时,发现离合器弹簧轴,轴承, 芯轴,弹簧,碟簧,压盘等零件明显磨损和变形失效 者,一律更换新件. (2)组装时压盘安装前应做平面精度检查;同一 层弹簧高度差不得大于().5mm,弹簧刚度应保持一 致;离合器修理时轴承一律更换,轴承与孔的配合不 得有明显松动,否则填充指定牌号锁固胶;安装,拆 卸时避免锤击和强烈冲击,以免损伤压盘和轴承孔. (3)对从动摩擦片与齿轮轴齿轮的啮合,要求啮 合齿轮允许移动的径向距离为().5mm,允许移动的 角度为?().5.,允许移动的轴向距离为?2mm. 2.3改进摩擦片材料 半金属摩擦材料是一种介于石棉摩擦材料和金属 陶瓷摩擦材料之间的摩擦材料,一般可以在540?以 下使用.半金属摩擦材料中含有较高的铁和石墨,它 与烧结金属陶瓷摩擦材料不同之处是铁和石墨等成分 与有机树脂混合,并进行固化而粘结在一起,类似于 通用的石棉摩擦材料. 半金属摩擦材料的主要特点:摩擦系数在400? 以下非常稳定,热衰退小,热稳定性好耐磨性好, 使用寿命比石棉材料提高3,5倍在高负荷下摩擦 系数稳定,有良好的耐磨性;具有优良的能量吸收性 能,使摩擦部件尺寸缩小,噪声小;导热性好,对环 境污染小. 基于上述特点和TBM离合器的工作状况,其摩 擦片选用半金属摩擦材料为宜.通过TBM离合器摩 擦片国产化研制后的现场考核试验,从材料组成配比 和成型工艺等方面进行多次调整,确保了半金属摩擦 材料的机械性能和摩擦磨损性能,完全满足了TBM 驱动离合器摩擦片对摩擦材料的性能要求. 3结论 通过对离合器摩擦片早期磨损原因的分析,根据 不同围岩条件改进掘进参数,从加强观测,减少急 停,提高维修保养质量,严格离合器组装工艺等方面 入手,积极采取措施,减轻了离合器摩擦片的磨损, 改进摩擦片材料,有效延长了离合器使用寿命. 根据统计测算,按照正常离合器摩擦片更换规律 (每掘进1Itlt0m,全部更换一次离合器摩擦片),在剩 下近4.78km隧道工程中,TBM离合器至少应全部 更换四次即64个离合器共计192片摩擦片,而实际 两个隧道只更换了15个离合器共计45片国产摩擦 片,少用进口摩擦片147片,节省大量资金. [责任编辑:胡方华] (上接第9()页】 槽压实效率,在要求的温度范围内尽快将修补材料压 实到需要的密实度. 新建路沥青混合料分层压实的最大厚度可接近 10cm,因其有大吨位的压实机械.但是坑槽修补大 多采用小型振动压路机,平板夯或振动碾等,其压实 功率较小,所以一般要求当坑槽深度大于4~6cm时, 必须进行分层摊铺和压实. 6封边处理 为了提高坑槽边缘新旧料接缝的耐水性和粘结强 度,可对其进行封边处理.坑槽修补的封边材料可以 是热沥青,热改性沥青(用于采用热拌料的永久性修 补),也可以是乳化沥青,改b'C-~L化沥青(用于采用 冷拌料的修补),并需要一种专用的"u"形或"v" 形橡胶辊使其成型为一种帖封式的结构型式,即紧贴 在坑槽新旧料接缝的上方摊成约2mm厚的带形(如 图2).为了防止封边材料出现轮印或引起溜滑问题, 可以在其上均匀地,薄薄地覆盖一层干争的细砂或石 屑加以保护.通过撒砂处理,可加快封边材料的凝 固,提早开放交通时间,并增加路表面的抗滑能力. 4 . j .. . . .. 4 . d,el 图2沥青路面坑槽帖封式封边处理结构型式 [参考文献] [1]李兴华,黄宗益.高等级公路路面修补机械[J] 建筑机械,1997,(9). [责任编辑:冯磊] 97 20047