针对某大型盾构机出现的异常振动问题，通过对主轴承润滑系统及密封方式的研究，对可能造成主轴承润滑系统污染的润滑剂和水样进行检测，分析表明盾构机出现异常振动是由于润滑系统受到油脂污染，造成轴承和齿轮的润滑不良。根据分析结果，检查了润滑系统管路，并对油箱进行反复清洗，除去油箱中的污染物，使润滑系统恢复正常，保证了盾构机的运行安全。

盾构机是地下掘进盾构施工中的主要施工机械，它在防止软基开挖面崩塌或保持开挖面稳定的同时，可在机内安全地进行隧洞的开挖和衬砌作业，目前在我国的城市地铁、过江公路隧道、跨海隧道等大型隧道工程项目中得到了广泛的应用。盾构机主轴承是盾构机的核心部件，起着支撑盾构刀盘并使之回转破岩的作用。如果在施工过程中，主轴承润滑油泄漏或者泥水、沙砾及渣土进入主轴承润滑系统，将导致主轴承和齿轮副的迅速破坏。破坏的主轴承需从盾构机上方开挖竖井吊出更换，难度非常大，将给盾构施工带来不可估量的损失。因此，保障盾构机主轴承润滑系统的运行安全具有很大的意义。中铁十二局广深港客运专线狮子洋隧道工程项目部(以下简称中铁项目部)的右线盾构机在推进过程中出现异常振动，无法正常工作，常处于半停机状态，平均每天只能工作2～5h，严重影响了工程的施工进度。2009年2月21日，对左线主轴承在用润滑油和右线主轴承在用润滑油进行取样并到广州机械科学研究院设备润滑与磨损状态监测中心进行分析，发现右线主轴承润滑油黏度、水分等指标严重超标，油中有大量粉尘、纤维(成絮状，大量结团)和其他物质污染，油品质量已严重劣化。此外还在油中发现大量的钢质擦伤和切削磨损金属颗粒，而且较多的钢质擦伤颗粒表面有明显的缺油高温烧伤发蓝痕迹，这表明有关部件已严重润滑不良，磨损情况严重。

该隧道项目有左线和右线两台盾构机，均采用北方重工生产的泥水2气垫式平衡盾构机，开挖直径11.192m,是目前国内最大的盾构机之一。正常掘进速度为0 .5环/h。盾构机的刀盘驱动系统如图1所示。

该盾构机刀盘的支撑法兰直径约6m,转速为0～3.2r/min。主轴承主要由三排滚柱轴承构成，分别承受径向和轴向载荷。滚柱轴承宽度为300～400mm，采用铜质保持架。在掘进工作时，由8个变频驱动电机各带动一个小齿轮，这些小齿轮共同带动与刀盘一同固定在环形法兰上的大齿圈，从而带动刀盘的旋转。该主轴承润滑系统采用BP Energol GR-XP 680的齿轮油，采取集中润滑的方式对三排滚柱轴承和8个小齿轮进行润滑。齿轮箱中的油位约为2/3处，因此其中6个小齿轮的啮合面完全浸没在齿轮油中，而位于盾构机上部的2个小齿轮依靠油泵喷油润滑和主轴承大齿圈转动时将油带到与小齿轮啮合的齿面上。

主轴承润滑系统密封由一道位于刀盘端面的机械密封和里面的五道唇形密封组成，如图2所示。这几道密封隔离了刀盘侧开挖出来的泥浆和渣土，避免它们进入主轴承和齿轮箱，同时也防止主轴承和齿轮箱的润滑油泄漏，保证主轴承和齿轮箱的安全使用寿命。

唇型密封本身具有良好的弹性，在油压的作用下紧贴于密封隔套上。五道唇型密封隔出了5个密封仓，分别表示为①，②，③，④，⑤。每个密封仓各有一个油道与油脂润滑系统联通。工作时不断向①，②密封仓注入HBW特种保压油脂，一方面润滑唇型密封，另一方面在压力作用下沿着端面的迷宫密封向外溢出，用以抵抗地下水的压力，将泥水和渣土阻挡在润滑系统外部;另外，向③，④密封仓注入EP2极压润滑脂，主要起润滑和阻挡HBW润滑脂进入的作用。第⑤密封仓的油道不加注润滑脂或润滑油，而是用于漏油检查和油脂润滑效果检查。HBW润滑脂理论设计消耗量为40kg/h，EP2润滑脂理论设计消耗量为4.5kg/h。唇形密封的寿命较短，一般在完成一条隧道的掘进后(或使用10000h后)就需要进行更换。

1、润滑系统污染来源分析通过对盾构机主轴承润滑系统和密封结构的分析，初步判断右线主轴承润滑系统受到外界的污染，从而导致主轴承齿轮油黏度大幅度上升，使得油品泵送困难，产生润滑不良;同时伴有水污染进入。为了确定污染来源，对施工现场的地下水、泥浆水、出渣泥浆等可能的污染源进行采样分析，并对BP Energol GR-XP 680新油、HBW新脂、EP2新脂等进行检测分析。结果见表1，2。

从表1中的元素分析结果来看，BP680在用油中主要混入了Si、Al、Mg、Ca等4种元素，这4种元素在新油中的含量几乎没有或者很少，因此，外界污染应是其主要来源。

外界污染主要有3种可能：
(1)EP2油脂。从盾构机润滑系统和密封系统的结构来看，这种可能性最大。从元素分析的结果来看，由于EP2新脂中的Ca、Mo、Zn元素含量较高，且是其主要元素组成，但在BP680在用油中却含量相对较低；EP2新脂中的Mg、Al元素含量较低，但在BP680在用油中Mg、Al元素含量却较高，是主要的污染元素来源。因此首先排除了EP2油脂作为右线主轴承在用油污染的第一来源，但并不排除EP2油脂的污染存在。

(2)泥浆。如果主轴承润滑系统混入泥浆，表明系统密封可能已失效严重。从对外循环水、泥浆水和出渣泥浆的元素分析来看，这些样品中依次呈被包含关系。特别是出渣泥浆中含有BP680在用油中混入的Ca、Mg、Al、Si等4种污染元素，但同时这些样品中也含有含量稳定的Sn元素。而这个元素恰恰是BP680在用油所不具有的。如果泥浆是BP680在用油中的主要污染物，那BP680在用油中也应该有一定含量的Sn元素存在。

(3)HBW油脂。将HBW新脂与BP680在用油的元素含量进行对比分析，发现这2种样品中的元素组成与含量比例相近，结合主轴承润滑系统可能的污染来源分析，基本可以确定右线主轴承润滑系统中的主要污染来源为HBW油脂。表2的固体颗粒微观分析结果也表明HBW油脂与在用油中的固体颗粒形貌一致，因此，可以判断右线主轴承在用油中的主要污染物为HBW油脂，同时不排除有少量EP2油脂污染和泥浆污染的可能，但泥浆污染的可能较小。

2、HBW油脂污染途径分析
从图2所示的密封结构来看，HBW油脂主要存在于①，②密封仓，除非2，3，4三道唇型密封全部失效，否则HBW不可能进入润滑系统。经现场调查分析，可能存在工人误操作，将原本应接到②密封仓的HBW供油管接到了④密封仓，在较大的油压作用下，导致第五道唇型密封泄漏，使得HBW油脂通过第⑤密封仓进入主轴承润滑系统。

处理措施与后续监测结果分析由于HBW油脂是用于保压的密封油脂，黏稠度较高，且其中含有大量的纤维和粉尘颗粒，混入主轴承润滑系统后将极大提高齿轮油的黏度，造成泵送困难，导致齿轮和轴承的润滑不良，因而对润滑系统的危害性极大，必须立即予以清除。而EP2油脂属于润滑脂，黏稠度相对较低，脂中除了皂基外没有添加其他增稠剂，对润滑系统的伤害相对较小。

根据分析检测报告和现场分析诊断，采取了下列措施，以保障盾构机的正常运行。
(1)检查了各润滑管路的连接情况，确保从根源上杜绝HBW油脂的污染。

(2)对右线主轴承润滑油箱进行清洗，并更换新油，以减少润滑系统中的HBW油脂污染。

2009年2月25日，对右线主轴承油箱进行了第一次清洗换油；3月10日，进行第二次清洗换油。如图3所示，在第一次清洗后元素Mo反而有明显的上升，元素Ca也有回升的趋势。磨损金属元素Fe含量持续下降，表明经过清洗后油中的钢质磨损金属颗粒含量降低。
第二次清洗后黏度有持续上升趋势，主要来源于EP2润滑脂的元素Ca和Mo均有上升趋势，而主要来源于HBW油脂的元素Mg、Al含量保持平稳，表明此时油中的主要油脂污染已经由HBW油脂转为EP2润滑脂。

(3)对右线主轴承开展密切的油液分析监控。由于条件所限，无法更换主轴承的唇型密封，因而无法从根源上消除油脂的污染。为了使盾构机能够重新工作，保证施工进度的正常进行，对右线主轴承在用油进行不定期取样分析，监测齿轮油的污染情况和主轴承相关摩擦副的磨损情况。一旦发现异常，立即采取相应的维修措施。

4月23日，对该油箱进行了第三次清洗换油。经过这三次清洗后，油中的各种污染物基本被除去，黏度等指标恢复正常。如图4所示，第三次清洗后元素Mg、Al含量一直保持在较低水平，表明油中的HBW油脂污染基本清除干净;元素Ca和Mo总体上均有平稳上升趋势，表明油中EP2润滑脂污染在逐步增加，因此黏度也随之有上升趋势，但通过不断往油箱中添加新齿轮油进行稀释，黏度一直保持着1200mm2/s以下。

这阶段磨损金属元素Fe含量略有增高趋势，但一直处于较低水平，表明EP2润滑脂没有对轴承和齿轮造成润滑不良和异常磨损。根据现场技术人员反映，由于润滑油的黏度增大，大齿圈转动时吸附了更多的润滑油参与了与上部两个小齿轮的啮合，从而保证了正常的润滑。目前该线盾构机工作情况基本正常，平均每天正常工作时间在8h以上，保证了施工进度的正常运行。
　　

(1)通过对主轴承润滑系统及密封结构的研究，对可能造成主轴承润滑系统污染的润滑剂和水样进行检测，判断造成齿轮油劣化和主轴承异常磨损的污染来源于密封油脂。
(2)根据分析结果，检查了润滑系统管路，并对油箱进行反复清洗，除去油箱中的污染物，使润滑系统恢复正常。
(3)在无法更换密封，完全消除外来油脂污染的情况下，通过开展密切的油液监控，及时添加新油和进行过滤，将齿轮油的污染水平和主轴承的磨损水平控制在安全范围内，保证盾构机正常掘进和施工进度如期进行。