专利名称：一种隧道掘进机主轴承大齿圈轮齿的开仓修复方法
技术领域：
本发明涉及隧道掘进机主轴承大齿圈的修复方法，尤其是隧道掘进机主轴承大齿圈在施工过程中洞内的修复方法。
背景技术：
隧道掘进机英文名称是Tunnel Boring Machine,简称TBM ；其更适合长隧道施工的需要，采用掘进机进行隧道施工的一般速率为常规钻爆法的3 10倍。TBM的针对性很强，不同的地质条件需要不同的掘进机，也就产生了不同的掘进机；有的适用于软土，又称为盾构机；有的适用于岩石，岩石掘进机可分为开敞式、单护盾式和双护盾式。主轴承是掘进机的核心部件，长期依赖进口，世界上只欧美、日本的几家厂家能生产，价值高，生产周期长。它的作用是支承刀盘，给刀盘传递旋转的动力，由于受隧道空间限制，主轴承很难进行更换。如果主轴承损坏失效，则整台设备瘫痪，造成施工单位难以承受的后果。对于采用掘进机施工的单位来说，主轴承使用寿命、可靠性和安全性要求非常高， 确保主轴承良好运转是掘进机正常掘进的保证。如果主轴承损坏，从主轴承更换的时间来看，则购买新的主轴承生产周期在半年以上，再加上国外运输及报关的时间，至少七个月，对于施工单位来说，这是很难承受的损失。从主轴承洞内更换的工期来看，主轴承直径大，如何把主轴承运输到护盾与刀盘之间的位置是一个难题，从国内某公司施工的大伙房引水工程洞内更换主轴承实例来看， 该公司从掘进机旁边人工开挖了一条绕道将主轴承运到更换位置，花了六个月的时间才把掘进机的主轴承更换完毕，此次故障对该公司造成了非常严重的损失。大齿圈是掘进机主轴承的关键部件，如果大齿圈出现故障，发生严重磨损或崩齿掉齿的现象，则无法继续掘进，如何能在洞内将掘进机主轴承大齿圈进行修复，对于施工单位来说，是一个非常有价值的课题。普通的齿轮的修复在国内来说是有成功案例，齿轮修复工艺有堆焊法、激光熔敷或者镶齿等。由于掘进机主轴承装在设备上，修复的作业空间有限，激光熔敷和镶齿的齿轮修复方法很难实现，因此现场齿轮修复只能采用堆焊法。而主轴承的大齿圈和主轴承滚道是一体的，采用的材质为中碳调质高强钢，可焊性较差。由于母材金属中含碳量高，在焊接过程中，母材金属的一部分要熔化到焊缝金属中去，致使焊层金属含碳量增高，焊缝凝固结晶时，结晶温度区间大，偏析倾向也较大，加之含硫杂质和气孔的影响，容易在焊层金属中引起热裂纹，特别是在收尾处，裂纹更为敏感。在这些齿轮修复的成攻案例来看，均需采用齿轮预热的方法来实现，但由于掘进机主轴承大齿圈两边都有关键性的密封，预热的方法很难实现。
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掘进机主轴承大齿圈齿轮洞内修复要求高、难度大由于在洞内进行不拆除施焊， 作业空间非常有限，需要找出合理的开仓位置进行施焊，而这是无前例的；另外用于硬岩掘进的掘进机，主驱动的齿圈需承受大的扭矩和推力，轮齿修复后需要有合适的硬度和耐磨性。从国内外掘进机主轴承发生故障的案例来看，世界上还没有掘进机主轴承大齿圈齿轮洞内修复的先例。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提出一种当掘进机主轴承大齿圈发生故障时，不用在洞内更换主轴承，也无需将主轴承拆出洞外进厂修复，即能在洞内对掘进机主轴承大齿圈进行修复的方法，且修复后的主轴承大齿圈能够达到原有的齿的工作性能。实现本发明发明目的的措施在于
本发明的隧道掘进机主轴承大齿圈轮齿的开仓修复方法，涉及现场修复的作业空间选择、现场修复的焊接工艺和齿形修复方法，
所述的现场修复的作业空间选择时，首先拆除主轴承驱动小齿轮，以对称的方式留两个主轴承驱动小齿轮不拆除，使修复过程中大齿圈能转动位置；然后在主轴承左下角的驱动小齿轮孔处搭作业平台，作业平台低于驱动小齿轮孔；在主轴承内径部位对应于未拆除的主轴承驱动小齿轮处割焊接作业孔；
所述的现场修复的焊接工艺，大齿圈轮齿的修复焊接采用三种焊材进行焊接处理大齿圈轮齿打底层用焊接性能好、抗拉强度高的焊材，大齿圈轮齿芯部用未经热处理、硬度和强度接近于大齿圈轮齿芯部的焊材，大齿圈轮齿表面层用硬度与大齿圈轮齿热处理后硬度接近的焊材，使修复后的轮齿性能接近于原来的轮齿；
所述的齿形修复方法，采用三连齿拓模进行为标准进行齿形检测，确保修复精度。为更好的实施本发明创造，还涉及对大齿圈轮齿进行验收时，采用着色探伤剂的显像剂进行喷涂，试运转进行大齿圈轮齿的啮合检查，对有压痕的部分进行打磨，确保修复后大齿圈轮齿的啮合精度。为更好的实施本发明创造，在拆除主轴承驱动小齿轮前，需放干净主轴承里的齿轮油，并清理主轴承齿轮箱内部的铁屑杂物，及标示需修复的轮齿。为更好的实施本发明创造，在确定主轴承内径部件割焊接作业孔的位置后，需通过作业人员作业的现场模拟，满足作业孔宽度大于作业人员的肩宽，作业孔长度应满足作业人员头戴焊接面罩时手和头能同时伸入作业孔内；以确定作业孔的尺寸进行齿的修复作业。为更好的实施本发明创造，所述的现场修复的焊接工艺，首先通过硬度仪测试大齿圈轮齿硬度以及对大齿圈轮齿进行材质分析，以确认焊接材料和焊接方法的选取。为更好的实施本发明创造，所述的现场修复的焊接工艺，大齿圈轮齿的修复焊接前，在现场安装好修复作业所需的照明灯，准备好修复作业所需的通风机。为更好的实施本发明创造，所述的现场修复的焊接工艺，大齿圈轮齿的修复焊接前，需将标示的需修复的轮齿进行打磨，要求打磨出来的面圆滑过渡，不能有直角；打磨后用磁粉探伤或着色探伤的方式进行探伤，打磨到所有裂纹消除为止；最后扫除待焊接表面油污，及清洗需修复轮齿的打磨面。
为更好的实施本发明创造，所述的现场修复的焊接工艺，每焊一层均需进行焊接应力消除，采用锤击法进行焊接应力的消除，再打磨，用着色探伤的方式进行探伤。为更好的实施本发明创造，大齿圈轮齿进行验收后，将主轴承开孔割除的钢板再进行焊接恢复成原来状况，拆除各作业台架，清洗主轴承齿轮箱系统，恢复各驱动小齿轮， 加注齿轮油，恢复掘进。由于采用如上所述的技术方案，本发明创造具有如下优越性
1、本发明在掘进机主轴承大齿圈轮齿出现故障时，不用更换主轴承，能在洞内进行现场修复。实施方法为选取合适的作业位置，采用合理的焊接工艺和齿形修复方法，选用科学的检验标准来验收轮齿的修复质量。节约了采购一个新主轴承的成本。、本发明在掘进机主轴承大齿圈轮齿出现故障时，能在一个月左右维修完毕，能使掘进机使用单位在最短的时间内恢复掘进，比更换主轴承的方法节约五个月左右的时间， 在工期和经济性方面效果明显。
附图1为本发明实施例中主轴承焊接作业开孔主视结构示意图； 附图2为本发明实施例中主轴承开孔焊接作业平台主视结构示意图； 附图3为本发明实施例中主轴承主视结构示意图中1 一 1#驱动小齿轮；2 - 2#驱动小齿轮；3 - 3#驱动小齿轮；4 - 4#驱动小齿轮；5 — 5#驱动小齿轮；6 - 6#驱动小齿轮；7 - 7#驱动小齿轮；8 — 8#驱动小齿轮；9 一主轴承修复开孔；10 —护盾；11 一主轴承外径；12 —主轴承内径；13 —作业平台；14 一小齿轮；15 —大齿圈；16 —小齿轮孔；17 —密封。
具体实施例方式某隧道工程中的TBM880E掘进机于2011年2月份出现故障，主轴承大齿圈齿轮出现严重磨损、压痕和崩齿故障，停机对其进行修复，实施的方法是
1、掘进机停机后放干净主轴承里的齿轮油；
2、清理主轴承齿轮箱内部的铁屑等杂物；
3、检查出需修复的齿轮，并对主轴承大齿圈所有齿(共174个齿)进行编号并拍照，记录需修复的齿轮编号及损坏情况；
4、结合图1，留左上角的4#驱动小齿轮4和右下角的8#驱动小齿轮8，其余全部拆除； 使修复过程中驱动小齿轮能带动大齿圈转动位置；
5、结合图2，在主轴承左下部的1#驱动小齿轮1孔处搭作业平台13，作业平台有梯子能从隧道底部爬到平台上，作业平台13低于1#驱动小齿轮1孔约1米；
6、通过查看掘进机生产厂家的主轴承结构图纸，外径11Φ4800πιπι，与掘进机护盾10配合，没有修复作业空间；内径12Φ2750πιπι为掘进机换刀的通道，可以作为焊接修复的作业场所，因此选取主轴承内径部位割焊接作业孔；
7、通过作业人员作业的现场模拟，确定主轴承修复开孔9即作业孔的尺寸主要依据是大齿圈和主轴承内径的距离，如果大齿圈离内径较远，由于焊接时需头伸入作业孔，头戴电焊面罩，双手进行焊接修复作业，作业孔宽度至少大于作业人员的肩宽，作业人员的肩宽 400mm，作业孔尺寸宽定为430mm ；作业孔长度应满足作业人员头戴焊接面罩时手和头能同时伸入作业孔内，确定作业孔长600mm ；作业人员需对修复后齿的齿面两侧都进行打磨，作业孔确定在主轴承1#驱动小齿轮1的上方；
8、对主轴承大齿圈轮齿进行材质分析以及通过硬度仪测试主轴承大齿圈轮齿硬度；
向掘进机生产厂家维尔特公司了解大齿圈的材质为42CrMo4，化学成份为
碳 C 0. 38 0. 45，硅 Si :0. 17 0. 37，锰 Mn :0. 50 0. 80，硫 S 允许残余含量< 0.035，磷P 允许残余含量< 0. 035，铬Cr :0. 90 1.20，镍Ni 允许残余含量 ^ 0. 030，铜Cu 允许残余含量彡0. 030，钼Mo :0. 15 0. 25
将主轴承大齿圈齿轮的掉块委外进行材质分析，其金属元素的含量和42CrMo4吻合；
采用北京时代之峰科技有限公司生产的“TH110里氏硬度计”对齿的表面硬度进行测试，测试结果为大齿圈的齿表面硬度为HRC45 50，损坏齿的芯部硬度为HRC30 31 ；
9、安装好修复作业所需的照明灯；
10、准备好修复作业所需的通风机；
11、结合图3，准备湿的棉布或毛巾放在作业部位的周围，保护好大齿圈15侧面的密封 17，并防止铁屑掉入主轴承内部；
12、将损坏的主轴承大齿圈轮齿进行打磨，打磨出来的面必须圆滑过渡，不能有直角， 打磨后用着色探伤的方法进行探伤，打磨到所有裂纹消除为止；
13、用氧气乙炔扫除打磨后待焊接齿的表面油污；
14、用丙酮清洗主轴承大齿圈轮齿的需修复的打磨面；
15、主轴承大齿圈轮齿的修复焊接采用仿激光焊的方式，采用东莞奥信激光焊机设备有限公司开发的WS-02便携式多功能仿激光焊机焊接，采用三种焊材进行焊接处理，打底层用焊接性能好、抗拉强度高的焊材，齿芯部采用未经热处理的、硬度与齿芯部接近的焊材，主轴承大齿圈轮齿表面层用硬度和大齿圈齿轮热处理后硬度接近的焊材，使修复后的齿性能接近于原来的齿；
焊材选择了德国进口的Thyssen品牌的三种焊丝，打底采用TIG-SKD888，结合好抗拉力强，硬度能达到HRC30 ；过渡层采用TIG-SKD61，硬度能达到HRC35 ；表面层采用 TIG-SKDl 1，硬度较高，相当于粹火层，硬度能达到HRC50 ；
16、由于大齿圈附近的密封保护需要，不能采用加热保温的方式；每焊一层均需采用锤击法进行焊接应力的消除，之后再打磨，并用着色擦伤法进行探伤；
17、根据状况较好的三连齿做一个三连齿拓模，采用美国得复康公司生产的可塑钢修补剂浇注在选定的三连齿上，干后即为三连齿拓模；
18、以三连齿拓模为标准，对焊好后的齿进行齿打磨整形，齿形检测人员站在作业平台 13上通过1#驱动小齿轮1孔用手电筒的灯光以三连齿拓模为标准进行齿形检测，并用着色探伤法进行探伤；
19、对修复后齿的硬度进行验收，采用北京时代之峰科技有限公司生产的“TH110里氏硬度计”进行硬度测试，使修复后齿的硬度能达到原硬度的95%以上；
20、对修复后的齿采用着色擦伤剂的显像剂喷涂，进行齿的啮合检查，对啮合有压痕的部分进行打磨，确保修复后的齿有80%能啮合；21、将修复的齿打好清哳的标识，并做好记录；
22、将焊接作业开孔割除的钢板按原来的状况进行焊接；
23、拆除各作业台架，清洗主轴承齿轮箱系统，恢复各驱动小齿轮，加注齿轮油，于2011 年3月份中旬完成恢复掘进。 本发明未详尽叙述部分为现有技术。
权利要求
1.一种隧道掘进机主轴承大齿圈轮齿的开仓修复方法，涉及现场修复的作业空间选择、现场修复的焊接工艺和齿形修复方法，其特征是所述的现场修复的作业空间选择时，首先拆除主轴承驱动小齿轮，以对称的方式留两个主轴承驱动小齿轮不拆除，使修复过程中大齿圈能转动位置；然后在主轴承左下角的驱动小齿轮孔处搭作业平台，作业平台低于驱动小齿轮孔；在主轴承内径部位对应于未拆除的主轴承驱动小齿轮处割焊接作业孔；所述的现场修复的焊接工艺，大齿圈轮齿的修复焊接采用三种焊材进行焊接处理大齿圈轮齿打底层用焊接性能好、抗拉强度高的焊材，大齿圈轮齿芯部用未经热处理、硬度和强度接近于大齿圈轮齿芯部的焊材，大齿圈轮齿表面层用硬度与大齿圈轮齿热处理后硬度接近的焊材，使修复后的轮齿性能接近于原来的轮齿；所述的齿形修复方法，采用三连齿拓模进行为标准进行齿形检测，确保修复精度。
2.根据权利要求1所述的隧道掘进机主轴承大齿圈轮齿的开仓修复方法，其特征是 还涉及对大齿圈轮齿进行验收时，采用着色探伤剂的显像剂进行喷涂，试运转进行大齿圈轮齿的啮合检查，对有压痕的部分进行打磨，确保修复后大齿圈轮齿的啮合精度。
3.根据权利要求1所述的隧道掘进机主轴承大齿圈轮齿的开仓修复方法，其特征是 在拆除主轴承驱动小齿轮前，需放干净主轴承里的齿轮油，并清理主轴承齿轮箱内部的铁屑杂物，及标示需修复的轮齿。
4.根据权利要求1所述的隧道掘进机主轴承大齿圈轮齿的开仓修复方法，其特征是 在确定主轴承内径部件割焊接作业孔的位置后，需通过作业人员作业的现场模拟，满足作业孔宽度大于作业人员的肩宽，作业孔长度应满足作业人员头戴焊接面罩时手和头能同时伸入作业孔内；以确定作业孔的尺寸进行齿的修复作业。
5.根据权利要求1所述的隧道掘进机主轴承大齿圈轮齿的开仓修复方法，其特征是 所述的现场修复的焊接工艺，首先通过硬度仪测试大齿圈轮齿硬度以及对大齿圈轮齿进行材质分析，以确认焊接材料和焊接方法的选取。
6.根据权利要求1所述的隧道掘进机主轴承大齿圈轮齿的开仓修复方法，其特征是 所述的现场修复的焊接工艺，大齿圈轮齿的修复焊接前，在现场安装好修复作业所需的照明灯，准备好修复作业所需的通风机。
7.根据权利要求1所述的隧道掘进机主轴承大齿圈轮齿的开仓修复方法，其特征是 所述的现场修复的焊接工艺，大齿圈轮齿的修复焊接前，需将标示的需修复的轮齿进行打磨，要求打磨出来的面圆滑过渡，不能有直角；打磨后用磁粉探伤或着色探伤的方式进行探伤，打磨到所有裂纹消除为止；最后扫除待焊接表面油污，及清洗需修复轮齿的打磨面。
8.根据权利要求1所述的隧道掘进机主轴承大齿圈轮齿的开仓修复方法，其特征是 所述的现场修复的焊接工艺，每焊一层均需进行焊接应力消除，采用锤击法进行焊接应力的消除，再打磨，用着色探伤的方式进行探伤。
9.根据权利要求1所述的隧道掘进机主轴承大齿圈轮齿的开仓修复方法，其特征是 大齿圈轮齿进行验收后，将主轴承开孔割除的钢板再进行焊接恢复成原来状况，拆除各作业台架，清洗主轴承齿轮箱系统，恢复各驱动小齿轮，加注齿轮油，恢复掘进。
全文摘要
本发明公开的一种隧道掘进机主轴承大齿圈轮齿的开仓修复方法，首先拆除主轴承驱动小齿轮，以对称的方式留两个主轴承驱动小齿轮不拆除；然后在主轴承左下角的驱动小齿轮孔处搭作业平台，作业平台低于驱动小齿轮孔；在主轴承内径部位对应于未拆除的主轴承驱动小齿轮处割焊接作业孔；大齿圈轮齿的修复焊接采用三种焊材进行焊接处理根据大齿圈轮齿打底层、轮齿芯部及轮齿表面的性能选用对应性能的焊材，使修复后的轮齿性能接近于原来的轮齿；采用三连齿拓模进行为标准进行齿形检测，确保修复精度；该方法不用在洞内更换主轴承，也无需将主轴承拆出洞外进厂修复，即能在洞内对掘进机主轴承大齿圈进行修复，且修复后能够达到原有的齿的工作性能。
文档编号B23P6/00GK102267034SQ20111017161
公开日2011年12月7日 申请日期2011年6月24日 优先权日2011年6月24日
发明者任明军, 伍健, 刘宏志, 向毅, 吕建乐, 崔原, 张卫东, 彭正阳, 戈强, 李书果, 杨玉昌, 洪开荣, 琚时轩, 石曲, 赵新合, 陈佩建, 魏忠良, 魏文杰, 黄金光 申请人:中铁隧道集团有限公司