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摘 要：了解和掌握TBM主轴承及其组件的结构特点是正确操作TBM和对TBM进行正确监测的前提。本文介绍了TBM主轴承的基本结构、主轴承的啮合方式、主轴承的密封和润滑、主轴承的驱动形式，以及主轴承的使用寿命等内容。
关键词：TBM；主轴承；结构
中图分类号：TH133.3文献标识码：A 文章编号：
TBM主轴承亦称刀盘轴承，TBM主轴承及其组件运转状况的优劣对主机工作寿命的影响很大，工程地位非常重要。一旦异常和重大故障，洞内几乎无法处理，由此造成的工期和资金损失难以弥补。近年来许多工程已经发生多起严重故障，导致工期严重延误，损失惨重[1-4]。因此，了解TBM主轴承及其组件的结构特点，对于指导TBM正确运行、操作和维护就显得非常重要。
1概述
主轴承是TBM 最关键的部件之一，主轴承的大齿圈与刀盘刚性地连接在一起，并与驱动组件、变速器、电机串联在主机结构上。TBM主轴承滚子结构的布置一般有三种形式，即单列圆柱滚子轴承、双列圆锥滚子轴承和三列（轴向-径向-轴向）圆柱滚子轴承。由于双列圆锥滚子轴承制造工艺复杂，轴承和密封装置整体尺寸较大，为保证连续均匀的滑动摩擦，不能分段制造，运输也比较困难，所以当前主要发展方向是采用三列（轴向-径向-轴向）圆柱滚子轴承替代圆锥滚子轴承的设计方案，以提高其承载力和延长寿命，特别是大直径TBM设计更是如此。
TBM主轴承制造周期长（6个月左右），设计计算程式和制造工艺复杂，针对隧道工程专项特殊设计，全世界著名的专业制造厂家为数不多，单价昂贵，而且在施工过程中在洞内很难处理，如果更换，考虑到置换空间拓展的扩挖工程和吊点的锚固等辅助施工工序，累计时间至少超过4个月，作业过程中还需相当谨慎、必须具备相当的技术、装备和环境条件。TBM主轴承的设计尺寸、制造质量、荷载边界条件、使用寿命、润滑状况和监控方法应该成为最重要的TBM选型设计考核因素。
2 主轴承的啮合方式
掘进机主轴承齿圈与变速箱输出轴轮齿的驱动啮合模式有外啮合和内啮合两种方式。外啮合方式：采用中心太阳轮齿圈、周边围绕驱动小齿轮带动大齿圈旋转模式。该方式的优点是：运行时的磨损颗粒在啮合齿面间停留时间短，相应减少润滑油液中磨料磨损的几率。内啮合方式（见图1）：大齿圈内包容了众多变速箱驱动小齿轮，与外啮合方式比较，该方式的明显优点是整体结构尺寸相对较大，受力刚性较好。同样旋转一圈，大齿圈轮齿的啮合次数也少，磨损也小，选型时普遍得到用户偏爱。
图1主轴承内啮合形式示意图
3 主轴承的密封
考虑到TBM恶劣的作业环境，主驱动内外密封（见图1）的设置，采用三道唇型密封（当外界水压较大时，通常也可采用四道唇形密封），保护主轴承和驱动总成，阻挡外界岩渣、污物入侵，三个唇形密封圈连同二道隔圈组成严密的防护阵线；二道隔圈环向分布有小孔，润滑油和压缩空气从小孔喷出成雾状，润滑三道密封圈的唇口和与之相配合的耐磨环之间，确保密封圈均匀润滑和极小的摩擦，延长使用寿命。在密封之间通常充填均匀进给的极压性能良好的润滑脂，最靠里一道密封空腔则注入带压轻质油液，直接阻挡唇口处污物的进入，同时保护润滑油腔免受异物污染；外面两道密封空腔则挤满润滑脂，直接阻挡刀盘破岩时岩粉的侵入。与唇形密封唇口接触的表面则是经过硬化和磨削处理的耐磨环，（有些轴承在密封两侧充填不同压力的气压，促使唇边压紧耐磨环，运行中保持密贴）。在正常使用条件下，耐磨环经久耐用。一旦润滑条件不良（例如：润滑脂挤入量不足，润滑脂泵单位时间脉冲次数不够，或者润滑脂分配阀堵塞，造成脂路压力急剧增高，实际油脂并未进入油腔），唇形密封磨损后，期间的配合间隙加大、极易在耐磨环处磨出沟槽，导致润滑脂泄漏量加大、三道门岗失控的结果导致岩粉窜入、润滑油与润滑脂互渗，轴承滚道、滚子等所有摩擦副形成三体磨损条件，更加剧了轴承关键部件的磨料磨损，最后导致轴承失效，无法继续服役等严重恶性故障。
据此，主轴承有些制造厂家对此作了设计改进，将耐磨环靠近迷宫密封一端，加装轴向可调整螺栓，在轴承运行一段时间，根据润滑脂消耗量增加情况，推断耐磨环的磨损量，腾出一段施工空隙时间专门对此进行处理，通过与耐磨环联动的轴向螺栓螺距的调整，移动耐磨环与唇形密封的相对轴向位置，如果推断耐磨环出现剧烈磨损，可以调整轴向位移，避开唇口与耐磨环原始位置，重新恢复密贴状态。相对延长了主轴承施工运行时间，这样的调整在合适的时机随时可以进行，避免了刀盘与主机洞内的分离，节省大量工程时间。
4 主轴承的润滑
主轴承和驱动装置采取强制循环润滑系统进行润滑。此系统与刀盘驱动系统互相联锁，并先行起动。如果润滑状况（流量、压力额定值）不正常，驱动系统将自动停止运转或被阻止起动。
润滑系统的油箱置于主轴承下方、刀盘护盾的底板上。利用齿轮泵把油由此经由过滤器和油-水热交换器输送到主轴承和驱动齿轮的各个啮合位置。油箱内安装有传感器，用以监测润滑油输送管路上的油压、流量、滤油器的污染程度和油温。
TBM主机的润滑方式主要依靠浸油润滑、喷淋润滑和强制润滑三种模式：大齿圈侵泡在主轴承直径三分之一高度的润滑油腔内；大齿圈携带润滑油旋转，使齿面残留一部分润滑油，保证齿轮啮合时润滑状态不至于缺油产生胶合；为避免大齿圈慢速转到顶端区域润滑油完全漏损，通过润滑油泵，强制性提供压力润滑，输送油液到全圆均布的、通向轴承滚子的润滑点位置、齿面润滑点以及驱动小齿轮两端支承的轴承位置，喷淋润滑与压力润滑复合作用。
为防止齿轮摩擦副产生的较大颗粒磨屑进入主轴承的润滑系统中，主轴承滚子和齿轮驱动润滑油体系应分开。同时，在润滑油回油油路設置磁性过滤器，利用强磁场的磁环或环状磁柱的强大吸引力，吸附润滑油中的顺磁性磨粒，大大减少润滑油中铁磁性磨粒含量，相应减少磨料磨损几率。可以定期拆解磁性过滤器，通过磨粒的外观数量和形貌的观察，推断轴承磨损状态，累积的磨粒收集，则可以据此判断轴承磨损速率。拆解观察的频率以50个掘进循环为宜。图2为磁性滤芯实物照片。
图2磁性滤芯
5 主轴承的驱动组件和驱动方式
主轴承包括了内齿圈密封、驱动齿轮、带驱动的行星齿轮箱。整体组件由液压预紧螺栓安装到护盾隔板上，而且可以整体往后移动。
主轴承是一个带有用来传递刀盘扭矩的内齿圈的三轴式轴承。它是以最大推进荷载、特别是为预测在曲线段或走向纠偏和不稳定围岩而产生较强的倾覆力为设计依据。主轴承、大齿轮部件的合理布置能够满足所需的寿命。为了便于制造和更换，已有新的设计将齿圈和轴承分开，由主动齿轮驱动外齿圈，而外齿圈与驱动隔板及主轴承内圈联动一体。
运行中，隔板的牢固程度非常值得留意和检查，一旦振动大，累计的疲劳和螺栓松动，很容易造成隔板连接螺栓颈缩和断裂，导致大量岩粉由此进入润滑系统，污染和磨损相关零件。新疆某工地曾出现该状况，如图3和4所示。
图3隔板固定螺栓孔损坏 图4隔板固定螺栓颈缩
6 主轴承的使用寿命
主轴承的预定使用寿命由用户根据工程掘进长度的需要和投资成本提出。目前大轴承的使用寿命往往为了满足首个隧道长度以及岩石状况的工程需求，工程之后还留有一定裕度，一般为15000～20000h。而这仅仅只是设计计算寿命，这一使用寿命是确保TBM掘进10km以上不更换轴承的依据。通常TBM累计使用寿命按30km考虑，如果维护得当可以达到，其它大型结构件一般使用40～60km也完全可能。
主轴承常在最大推进荷载下，并在曲线段或纠偏时以及通过不稳定围岩或断层带时所产生的较大倾覆力矩的环境下工作。它的标称寿命(例如1.2×104h)是按国际轴承质量标准L10理论，即在10个轴承中有一个轴承的寿命达到1.2×104h，其余9个达到4×104h。1.2×104h軸承寿命的受力计算的假定条件是轴承承受力的90％荷载作用在轴承中心、10％荷载作用于轴承的1／3半径的位置。了解主轴承寿命和轴承实际受力的不同含义或内容，其目的是注意掘进参数的选择、加强对主轴承的检测和保养，以便延长主轴承的寿命。在选择掘进机主轴承时，厂家是根据隧道地质条件来确定轴承的不同载荷组合型式，各种工况的受载几率不尽相同。因此，掘进中要注意到轴承的适用范围和不同工况下合理的掘进参数。否则，会引起轴承不正常使用区段的异常损伤，后果非常严重。
还应注意到，主轴承的直径应和掘进机直径相匹配，合适的比率对该尺寸的掘进机非常重要，否则偏心荷载和支承轴承的刚度降低会严重影响到主轴承使用寿命。直径相近的掘进机，在某些场合，可能使用同一种规格的主轴承，对于用户，希望尺寸大些，工作中刚性相对大，对于部件的使用情况相对可靠。
对主轴承寿命的影响还需考虑如下因素：
① 主轴承的润滑和密封。良好的强制性齿轮油润滑、压力润滑、喷淋润滑的结合以及多道有效唇形密封阻挡外界岩粉进入润滑系统是确保主轴承寿命的必要条件之一。
② 主轴承安装工艺，特别是刀盘电焊时必须控制焊接回路电流不能通过主轴承。否则主轴承滚道表面会因电焊电流的通过形成火花，产生烧损凹坑而损坏。违反就近搭铁原则造成主轴承烧伤、凹坑，如图5所示。
图5轴承滚道烧损的照片
③ 主轴承都是单件生产，价格昂贵(一般占整机造价的10％左右)，按国外主轴承生产规定允许有10％的不合格率。因此购买掘进机时买方要承担10％的风险。
7 结语
TBM是集机械化、自动化和管理现代化为一体的复杂系统，主轴承是其最重要的部件之一。只有充分了解TBM主轴承的基本结构、啮合方式、密封和润滑、驱动形式、使用寿命等，才能对进行正确操作和监测，从而达到提高设备完好率和利用率的目的。
参考文献
[1]刘景春，贾寒飞，张丽华. 全断面岩石掘进机刀盘简介[J]. 重工与起重技术，2006, (2)
[2]刘洪. TBM主轴承内密封洞内更换及失效分析[J]. 铁道建筑技术,2009, (11)
[3]施杰. 基于Web的轴承故障诊断系统开发[D].昆明理工大学硕士论文2008
[4]杜彦良，徐明新等．全断面岩石隧道掘进机:检测诊断与维护保养[M]．武汉：华中科技大学出版社，2012.12
关键词：TBM；主轴承；结构
中图分类号：TH133.3文献标识码：A 文章编号：
TBM主轴承亦称刀盘轴承，TBM主轴承及其组件运转状况的优劣对主机工作寿命的影响很大，工程地位非常重要。一旦异常和重大故障，洞内几乎无法处理，由此造成的工期和资金损失难以弥补。近年来许多工程已经发生多起严重故障，导致工期严重延误，损失惨重[1-4]。因此，了解TBM主轴承及其组件的结构特点，对于指导TBM正确运行、操作和维护就显得非常重要。
1概述
主轴承是TBM 最关键的部件之一，主轴承的大齿圈与刀盘刚性地连接在一起，并与驱动组件、变速器、电机串联在主机结构上。TBM主轴承滚子结构的布置一般有三种形式，即单列圆柱滚子轴承、双列圆锥滚子轴承和三列（轴向-径向-轴向）圆柱滚子轴承。由于双列圆锥滚子轴承制造工艺复杂，轴承和密封装置整体尺寸较大，为保证连续均匀的滑动摩擦，不能分段制造，运输也比较困难，所以当前主要发展方向是采用三列（轴向-径向-轴向）圆柱滚子轴承替代圆锥滚子轴承的设计方案，以提高其承载力和延长寿命，特别是大直径TBM设计更是如此。
TBM主轴承制造周期长（6个月左右），设计计算程式和制造工艺复杂，针对隧道工程专项特殊设计，全世界著名的专业制造厂家为数不多，单价昂贵，而且在施工过程中在洞内很难处理，如果更换，考虑到置换空间拓展的扩挖工程和吊点的锚固等辅助施工工序，累计时间至少超过4个月，作业过程中还需相当谨慎、必须具备相当的技术、装备和环境条件。TBM主轴承的设计尺寸、制造质量、荷载边界条件、使用寿命、润滑状况和监控方法应该成为最重要的TBM选型设计考核因素。
2 主轴承的啮合方式
掘进机主轴承齿圈与变速箱输出轴轮齿的驱动啮合模式有外啮合和内啮合两种方式。外啮合方式：采用中心太阳轮齿圈、周边围绕驱动小齿轮带动大齿圈旋转模式。该方式的优点是：运行时的磨损颗粒在啮合齿面间停留时间短，相应减少润滑油液中磨料磨损的几率。内啮合方式（见图1）：大齿圈内包容了众多变速箱驱动小齿轮，与外啮合方式比较，该方式的明显优点是整体结构尺寸相对较大，受力刚性较好。同样旋转一圈，大齿圈轮齿的啮合次数也少，磨损也小，选型时普遍得到用户偏爱。
图1主轴承内啮合形式示意图
3 主轴承的密封
考虑到TBM恶劣的作业环境，主驱动内外密封（见图1）的设置，采用三道唇型密封（当外界水压较大时，通常也可采用四道唇形密封），保护主轴承和驱动总成，阻挡外界岩渣、污物入侵，三个唇形密封圈连同二道隔圈组成严密的防护阵线；二道隔圈环向分布有小孔，润滑油和压缩空气从小孔喷出成雾状，润滑三道密封圈的唇口和与之相配合的耐磨环之间，确保密封圈均匀润滑和极小的摩擦，延长使用寿命。在密封之间通常充填均匀进给的极压性能良好的润滑脂，最靠里一道密封空腔则注入带压轻质油液，直接阻挡唇口处污物的进入，同时保护润滑油腔免受异物污染；外面两道密封空腔则挤满润滑脂，直接阻挡刀盘破岩时岩粉的侵入。与唇形密封唇口接触的表面则是经过硬化和磨削处理的耐磨环，（有些轴承在密封两侧充填不同压力的气压，促使唇边压紧耐磨环，运行中保持密贴）。在正常使用条件下，耐磨环经久耐用。一旦润滑条件不良（例如：润滑脂挤入量不足，润滑脂泵单位时间脉冲次数不够，或者润滑脂分配阀堵塞，造成脂路压力急剧增高，实际油脂并未进入油腔），唇形密封磨损后，期间的配合间隙加大、极易在耐磨环处磨出沟槽，导致润滑脂泄漏量加大、三道门岗失控的结果导致岩粉窜入、润滑油与润滑脂互渗，轴承滚道、滚子等所有摩擦副形成三体磨损条件，更加剧了轴承关键部件的磨料磨损，最后导致轴承失效，无法继续服役等严重恶性故障。
据此，主轴承有些制造厂家对此作了设计改进，将耐磨环靠近迷宫密封一端，加装轴向可调整螺栓，在轴承运行一段时间，根据润滑脂消耗量增加情况，推断耐磨环的磨损量，腾出一段施工空隙时间专门对此进行处理，通过与耐磨环联动的轴向螺栓螺距的调整，移动耐磨环与唇形密封的相对轴向位置，如果推断耐磨环出现剧烈磨损，可以调整轴向位移，避开唇口与耐磨环原始位置，重新恢复密贴状态。相对延长了主轴承施工运行时间，这样的调整在合适的时机随时可以进行，避免了刀盘与主机洞内的分离，节省大量工程时间。
4 主轴承的润滑
主轴承和驱动装置采取强制循环润滑系统进行润滑。此系统与刀盘驱动系统互相联锁，并先行起动。如果润滑状况（流量、压力额定值）不正常，驱动系统将自动停止运转或被阻止起动。
润滑系统的油箱置于主轴承下方、刀盘护盾的底板上。利用齿轮泵把油由此经由过滤器和油-水热交换器输送到主轴承和驱动齿轮的各个啮合位置。油箱内安装有传感器，用以监测润滑油输送管路上的油压、流量、滤油器的污染程度和油温。
TBM主机的润滑方式主要依靠浸油润滑、喷淋润滑和强制润滑三种模式：大齿圈侵泡在主轴承直径三分之一高度的润滑油腔内；大齿圈携带润滑油旋转，使齿面残留一部分润滑油，保证齿轮啮合时润滑状态不至于缺油产生胶合；为避免大齿圈慢速转到顶端区域润滑油完全漏损，通过润滑油泵，强制性提供压力润滑，输送油液到全圆均布的、通向轴承滚子的润滑点位置、齿面润滑点以及驱动小齿轮两端支承的轴承位置，喷淋润滑与压力润滑复合作用。
为防止齿轮摩擦副产生的较大颗粒磨屑进入主轴承的润滑系统中，主轴承滚子和齿轮驱动润滑油体系应分开。同时，在润滑油回油油路設置磁性过滤器，利用强磁场的磁环或环状磁柱的强大吸引力，吸附润滑油中的顺磁性磨粒，大大减少润滑油中铁磁性磨粒含量，相应减少磨料磨损几率。可以定期拆解磁性过滤器，通过磨粒的外观数量和形貌的观察，推断轴承磨损状态，累积的磨粒收集，则可以据此判断轴承磨损速率。拆解观察的频率以50个掘进循环为宜。图2为磁性滤芯实物照片。
图2磁性滤芯
5 主轴承的驱动组件和驱动方式
主轴承包括了内齿圈密封、驱动齿轮、带驱动的行星齿轮箱。整体组件由液压预紧螺栓安装到护盾隔板上，而且可以整体往后移动。
主轴承是一个带有用来传递刀盘扭矩的内齿圈的三轴式轴承。它是以最大推进荷载、特别是为预测在曲线段或走向纠偏和不稳定围岩而产生较强的倾覆力为设计依据。主轴承、大齿轮部件的合理布置能够满足所需的寿命。为了便于制造和更换，已有新的设计将齿圈和轴承分开，由主动齿轮驱动外齿圈，而外齿圈与驱动隔板及主轴承内圈联动一体。
运行中，隔板的牢固程度非常值得留意和检查，一旦振动大，累计的疲劳和螺栓松动，很容易造成隔板连接螺栓颈缩和断裂，导致大量岩粉由此进入润滑系统，污染和磨损相关零件。新疆某工地曾出现该状况，如图3和4所示。
图3隔板固定螺栓孔损坏 图4隔板固定螺栓颈缩
6 主轴承的使用寿命
主轴承的预定使用寿命由用户根据工程掘进长度的需要和投资成本提出。目前大轴承的使用寿命往往为了满足首个隧道长度以及岩石状况的工程需求，工程之后还留有一定裕度，一般为15000～20000h。而这仅仅只是设计计算寿命，这一使用寿命是确保TBM掘进10km以上不更换轴承的依据。通常TBM累计使用寿命按30km考虑，如果维护得当可以达到，其它大型结构件一般使用40～60km也完全可能。
主轴承常在最大推进荷载下，并在曲线段或纠偏时以及通过不稳定围岩或断层带时所产生的较大倾覆力矩的环境下工作。它的标称寿命(例如1.2×104h)是按国际轴承质量标准L10理论，即在10个轴承中有一个轴承的寿命达到1.2×104h，其余9个达到4×104h。1.2×104h軸承寿命的受力计算的假定条件是轴承承受力的90％荷载作用在轴承中心、10％荷载作用于轴承的1／3半径的位置。了解主轴承寿命和轴承实际受力的不同含义或内容，其目的是注意掘进参数的选择、加强对主轴承的检测和保养，以便延长主轴承的寿命。在选择掘进机主轴承时，厂家是根据隧道地质条件来确定轴承的不同载荷组合型式，各种工况的受载几率不尽相同。因此，掘进中要注意到轴承的适用范围和不同工况下合理的掘进参数。否则，会引起轴承不正常使用区段的异常损伤，后果非常严重。
还应注意到，主轴承的直径应和掘进机直径相匹配，合适的比率对该尺寸的掘进机非常重要，否则偏心荷载和支承轴承的刚度降低会严重影响到主轴承使用寿命。直径相近的掘进机，在某些场合，可能使用同一种规格的主轴承，对于用户，希望尺寸大些，工作中刚性相对大，对于部件的使用情况相对可靠。
对主轴承寿命的影响还需考虑如下因素：
① 主轴承的润滑和密封。良好的强制性齿轮油润滑、压力润滑、喷淋润滑的结合以及多道有效唇形密封阻挡外界岩粉进入润滑系统是确保主轴承寿命的必要条件之一。
② 主轴承安装工艺，特别是刀盘电焊时必须控制焊接回路电流不能通过主轴承。否则主轴承滚道表面会因电焊电流的通过形成火花，产生烧损凹坑而损坏。违反就近搭铁原则造成主轴承烧伤、凹坑，如图5所示。
图5轴承滚道烧损的照片
③ 主轴承都是单件生产，价格昂贵(一般占整机造价的10％左右)，按国外主轴承生产规定允许有10％的不合格率。因此购买掘进机时买方要承担10％的风险。
7 结语
TBM是集机械化、自动化和管理现代化为一体的复杂系统，主轴承是其最重要的部件之一。只有充分了解TBM主轴承的基本结构、啮合方式、密封和润滑、驱动形式、使用寿命等，才能对进行正确操作和监测，从而达到提高设备完好率和利用率的目的。
参考文献
[1]刘景春，贾寒飞，张丽华. 全断面岩石掘进机刀盘简介[J]. 重工与起重技术，2006, (2)
[2]刘洪. TBM主轴承内密封洞内更换及失效分析[J]. 铁道建筑技术,2009, (11)
[3]施杰. 基于Web的轴承故障诊断系统开发[D].昆明理工大学硕士论文2008
[4]杜彦良，徐明新等．全断面岩石隧道掘进机:检测诊断与维护保养[M]．武汉：华中科技大学出版社，2012.12