盾構掘進機主驅動聚氨酯密封件的制造與性能*

夏利民 叢曉勤 王迎光 徐亭

(優泰科(蘇州)密封技術有限公司 江蘇蘇州215126)

盾構掘進機是一種用于挖掘隧道的機器[1]，它的動力源來自于主驅動軸承，主驅動系統連接刀盤，刀盤的轉動扭矩以及機器前進的推動力都是由主驅動系統提供，主驅動系統的維護非常困難。 主驅動密封系統能夠保護主驅動軸承。 聚氨酯密封件位于主軸承前端，主要阻止盾構掘進機主驅動刀盤內的渣土進入主軸承齒輪箱內部，密封件一旦失效，密封系統損壞會導致主驅動的零件磨損嚴重甚至毀壞而無法工作，盾構掘進工作就無法進行[2]。 主驅動密封唇口形式主要有VD 型、齒型和端面唇形等多種形式。 本工作研究了聚氨酯多齒型密封[3]，在運行過程中可形成多道密封保護，防止石砂等雜質進入，破壞主軸承。

盾構主驅動聚氨酯密封件直徑一般大于2 m，目前直徑超過4 m 的主驅動密封市場應用越來越多，對主驅動密封系統的可靠性要求較高。 大直徑聚氨酯密封件的研制難點在于：產品直徑過大，整體成型質量不穩定，車削設備要求高；產品尺寸大，不便于整體運輸，現場安裝困難。 一般選用分段澆注[4]連接工藝進行生產，該工藝對材料穩定性和分段半成品一致性要求極高；需要產品接頭處質量可靠，達到使用要求，產品尺寸精準控制，且外觀上無明顯不良。

1 聚氨酯密封件材料要求

根據盾構掘進機主驅動密封實際工作環境，要求如下：

(1)因主驅動密封產品長時間與油脂接觸，需要所用聚氨酯材料不受盾構掘進機所用油脂的影響，具有一定的耐油脂性能；

(2)根據盾構掘進機工作原理，主驅動密封件會接觸泥土沙石等混合物，為了防止被這些物質侵蝕，所用聚氨酯材料需要具有耐泥漿腐蝕性；

(3)當盾構掘進機主軸承啟動后，承壓的密封件運行時摩擦生熱不可避免，在設計主驅動密封系統時要考慮密封產品的冷卻和潤滑，所用聚氨酯材料需要具有耐旋轉磨損和耐摩擦生熱性；

(4)在設計聚氨酯原料配方時，要充分考慮大直徑聚氨酯密封產品的加工難度，在油脂和泥沙長時間擠壓下，所用聚氨酯材料可維持在合理變形范圍內。 基于此，盾構掘進機主驅動聚氨酯密封件硬度在邵A 90 ～95 較合適；在設計聚氨酯原料配方時，必須充分考慮大直徑聚氨酯密封件材料應具有良好的加工工藝。

2 聚氨酯密封件的制備

2.1 主要原料

A 料(預聚體)：亨斯邁化學研發中心有限公司的MDI 型聚氨酯預聚體[5]，牌號MPC2413，NCO 質量分數6.40%。

B 料(交聯劑)：蘇州湘園新材料股份有限公司的3，3'-二氯-4，4'-二氨基二苯基甲烷(MOCA)和亨斯邁化學研發中心有限公司的1，4-丁二醇(BDO)，其中MOCA 與BDO 質量比為4 ∶1。

C 料(催化劑)：三乙烯二胺(TEDA)，蘇州超進元貿易有限公司。

2.2 儀器設備

CPU20F-0.5 型聚氨酯澆注機，浙江溫州飛龍聚氨酯設備工程有限公司；DW-T-4000-600 型隧道式烘箱、DW-T-7000-550 型電熱鼓風烘箱(7 m×6 m×1 m)，蘇州昇遠烘箱設備有限公司；CMT6104 型萬能試驗機，美特斯工業系統(中國)有限公司；401-A型熱空氣老化箱，江都市精科試驗機械廠；A 型邵氏硬度計，日本得樂TECLOCK 公司；JBMH-76 型阿克隆磨耗儀，揚州市精博試驗機械有限公司。

2.3 產品分段成型工藝

盾構掘進機聚氨酯密封件工藝流程圖見圖1。

圖1 盾構掘進機聚氨酯密封件工藝流程圖

將各原料于70 ℃預熱16～24 h 后，抽到澆注機對應的罐體中，抽真空40 ～120 min，設置澆注機作業程序，校準設備，模具清理干凈并噴涂脫模劑，加熱到75 ℃。

采用分段模壓成型工藝，即采用澆注機分段澆注并連接成型[6]，澆注時采用工裝裝置壓緊并固定模具，模具清理、噴涂脫模劑達到澆注要求后進行澆注，控制擴鏈系數為0.95 ～0.98，A 料/B 料/C 料質量比為100 ∶15 ∶3。 澆注完成后產品在135 ℃隧道式烘箱固化40 min 后脫模，模具吹氣降溫到80℃，清理后噴涂脫模劑，產品切割后再次固定入模具，模具溫度在75 ℃左右進行二次澆注，待產品達到尺寸后，放入溫度為120 ℃的電熱鼓風烘箱，產品平鋪在定制的鏤空鐵架臺上硫化16 h。 產品初檢后，進行打磨、手工處理；打磨拋光處理后，接頭部位要求色澤均勻，整體一色，外觀整齊精美、無接頭痕跡、尺寸符合標準要求，大直徑主驅動鉸接密封產品外觀見圖2。

圖2 大直徑主驅動鉸接密封產品外觀

2.4 分析測試標準

拉伸強度按照GB/T 528—2009 測試；撕裂強度按照 GB/T 529—2008 測試； 硬度按照 GB/T 531.1—2008 測試；老化試驗按照GB/T 3512—2014測試；壓縮永久變形按照GB/T 7759.1—2015 測試；耐磨性能按照GB/T 1689—2014 測試。

3 主驅動密封產品的性能

3.1 材料產品基本物性

根據盾構掘進機主驅動密封產品實際工況，確定選用聚醚型聚氨酯預聚體為主要原料，這是因為聚醚型聚氨酯預聚體體系黏度低且聚氨酯制品收縮率相對穩定；交聯劑采用MOCA 和BDO[7]復配體系，具有穩定合適的固化速率，同時可提高材料的韌性和綜合力學性能，保證盾構主驅動密封產品能滿足所需要的硬度、較高的拉伸性能和良好的工藝性。主驅動密封聚氨酯彈性體與日本進口樣品實測數據對比見表1。 表2 為盾構掘進機主驅動密封材料耐老化性能和其他性能檢測數據。

表1 主驅動密封聚氨酯彈性體與日本進口樣品數據對比

表2 盾構掘進機主驅動密封材料耐老化性能和其他性能

從表1 可以看出，本工作試制的聚氨酯密封件產品能夠達到盾構掘進機產品配套使用要求，硬度達標，具有較好的拉伸性能和撕裂強度，接頭拉伸強度高，綜合性能略優于進口樣品。

由表2 可以看出，研發的主驅動密封產品具備良好的耐盾構油脂和耐老化性能。 該產品長期接觸EP1 密封脂和VG220 齒輪油，機頭部位會和泥土砂漿水摩擦，實驗室也已驗證該材料樣品在密封脂、齒輪油和泥漿水的耐介質老化測試[8]中，70 ℃、56 d浸泡后樣品物性基本保持60%，常溫5 年樣品物性基本不變。

3.2 接頭處彎折測試

接頭處彎折測試方法如下(見圖3)：兩名員工分別握住接頭一端，同時以均勻的速度在接口處向內分別折彎近90°，保持1 min 再還原，反復幾次，觀察接頭處無裂紋、無折痕、不彎曲，測試數據見表3。

表3 接頭部位力學性能對比

圖3 接頭可靠性彎折測試

由表3 可見，本產品接頭部位的基礎物性和粘接強度達到并超過進口產品要求，并與基體性能基本一致。

3.3 主驅動密封產品仿真試驗臺測試

進行盾構主驅動密封產品驗證時，通常主軸承密封件的設計壽命短于主軸承使用壽命，盾構掘進機主驅動聚氨酯密封產品在潤滑良好的情況下，密封件使用壽命計算值大于10 000 h，在主軸承密封達到預期壽命前，需要更換所有內外密封件，更換次數與盾構掘進機的使用管理有關。 盾構掘進機掘進行程超過3 000 m 后，無論主軸承密封唇口是否磨損，都需要更換密封件。

通過與主機廠技術人員研討，本工作設計了盾構機主驅動仿真模擬試驗臺，見圖4。

圖4 盾構仿真試驗臺

該試驗臺主要有殼體組件、液壓系統、控制系統、冷卻系統、注脂系統組成，運行速度0.5 ～3 m/s，介質壓力0～1 MPa，油脂壓力0 ～2 MPa，密封溫度-20～100 ℃，直徑2 m，是國內首臺具有主驅動密封仿真能力的大直徑仿真試驗臺。 該試驗臺以盾構機實際工作環境為背景，設備運行速率、壓力等關鍵參數均參考盾構機實際運行參數，模擬泥沙、泥漿、砂石等盾構機現場介質環境，從而可以通過該試驗臺建立主驅動密封壽命評估體系，建立密封性能關鍵參數數據庫，分析密封失效的原因，指導主驅動密封的設計、制造和工程應用，給現場準確評估主驅動密封壽命提供準確方法。

本研究的主驅動聚氨酯密封件進行仿真試驗臺試驗，測試行程達到理論掘進機行程1.7 km 時，試驗臺運行近100.7 萬m(旋轉16 萬次)，主驅動密封狀態良好。 盾構掘進機推進5 km 里程時，根據行程理論換算，盾構掘進機密封產品旋轉總行程需要運行330 萬m，并與試驗臺測試旋轉總行程進行對比，測試數據正在完善中。

4 結束語

本工作研制的盾構主驅動聚氨酯密封產品，具有較好的力學性能、高耐磨性、耐老化性和耐盾構油脂性等，滿足了密封產品在盾構掘進過程中對介質、溫度及工況的作業條件要求。 經驗證，產品成型工藝操作簡單，接頭平滑無痕，質量可靠，安全穩定，強度高。 成品尺寸精度高，達到使用要求。 目前該主驅動聚氨酯密封件產品已經在幾家國內盾構產品關聯單位，如中交天和、中國鐵建、中鐵工程、中鐵裝備及日本小松等國內外多個重大地鐵隧道項目中成功應用，質量可靠，可替代同類進口產品，實現了盾構掘進機主軸承密封產品等關鍵零部件國產化。