摘要:螺旋输送机作为土压平衡盾构机实现渣土输送及土压平衡功能的关键零部件之一，为了减少其在多变且恶劣地质工况下因过度磨损和断裂而引起故障发生，通过选择焊接性能优良的材料、采用先进的焊接工艺技术保证同心度以及不同的耐磨措施，改善螺旋输送机的性能，达到了延长螺旋输送机使用寿命的效果。
 
 

      1 、引言

  
     土压平衡盾构机是一种集隧洞开挖、渣土输送和隧洞衬砌于一体的技术密集的重型工程装备 。螺旋输送机是土压平衡盾构机实现渣土输送及土压平衡功能的关键零部件之一，它主要通过螺旋轴的旋转将刀盘破碎的渣土输送至皮带机，最后通过渣土车运送至洞外;同时通过形成的密封土塞保持密封舱内土压力，维持开挖面土体的稳定 。复杂
多变地质工况以及恶劣的工作环境使螺旋轴易出现过度磨损和断裂的故障 。为了减少螺旋轴故障的发生，除在设计过程中优化螺旋轴的结构之外，在加工制造过程中有效控制螺旋轴的质量也是非常必要的措施之一 。

      2 、螺旋轴的结构和材质

     (1)螺旋轴主要由芯轴、螺旋叶片、连接法兰组成，其结构如图1 所示。

    
                          图1 螺旋轴结构示意
 
 
    (2)螺旋轴的设计长度一般约为12 m，其长度超出了管材的标准长度。因此，螺旋轴的芯轴采用分段拼焊的方式加工而成。芯轴与连接法兰之间也采用焊接的方式进行连接。分段拼焊而成芯的机械性能必须能满足螺旋输送机的工况要求。如果芯轴的强度和刚度无法满足工况要求，有可能发生断轴事故，图2 是某地铁工程螺旋输送机芯轴断裂的现场照片，芯轴断裂后盾构机将无法继续掘进，严重影响施工工期，并且洞内修复断裂的芯轴由于空间及现场条件的限制，操作难度非常大，耗时长。连接法兰则采用Q345 锻件，通过锻造的方式消除金属在冶炼过程中产生的缺陷，优化微观组织结构，进一步提高材料的机械性能。
  

                   图2 芯轴断裂

     (3)基于以上要求，芯轴的材料选用低合金高强度的Q345B 无缝钢管，连接法兰则选用Q345B 的锻件，这样既保证拼焊为整体的芯轴有良好的综合力学性能，同时又具有很好的焊接性能。Q345B 的力学性能如表1 所示。

     表1 Q345B 力学性能

     3 、螺旋轴的同心度

     (1)螺旋输送机工作时的工况复杂，一方面对螺旋轴的材料机械性能提出了很高要求，另一方面对螺旋轴的同心度要求也非常高。如果螺旋轴同心度达不到要求，会造成螺旋轴旋转时的阻力大，噪声大，磨损加剧。进而会使螺旋轴的振动加大，严重影响其他部件使用寿命，成其是螺旋轴及驱动部件的使用寿命。

      (2)拼焊而成芯轴的同心度的保证需从坡口、焊接和拼焊顺序等多个方面考虑。首先拼焊的对接坡口为V 型坡口，通过车床机加而成，以保证焊接坡口的表面粗糙度，同时拼接处加工出定位止口，用于保证拼接时的同心度。芯轴拼接处的坡口及定位止口如图3 所示。
  

    (3)芯轴的焊接顺序是保证芯轴同心度以及芯轴机械性能非常关键的因素之一。芯轴的工艺顺序为首先将Q345B 的无缝钢管与Q345B 锻件连接法兰拼焊成芯轴后端部分，长度约为2． 5 m，拼焊过程需控制焊接电流、电压以及焊接速度，以保证焊后的芯轴后端的同轴度在1 mm 以内;然后对拼焊成一体的芯轴后端进行了退火处理，以消除焊缝内应力;退火完成后，再加工连接法兰与螺旋输送机驱动部件相连接的配合面及连接孔。芯轴后端的机加完成后，再与前端的无缝钢管焊成整体芯轴，焊接坡口及定位止口的形式如图3 所示。在对两处拼焊坡口施焊过程中，首先需对焊缝进行预热到100 ～ 150 ℃，分多道多层次旋转焊接，减少其焊接的变形，焊后需保温2 ～ 4 h，以防止产生冷裂纹。
  
 
    (4)芯轴的拼焊完成后，需将螺旋叶片与芯轴拼焊成螺旋轴。由于螺旋叶片是采用钢板分段冲压而成，每段长度约为630 mm，而拼焊后的螺旋叶片需保证整体的同心度以及各分段之间连接面的平滑过渡，因此焊接螺旋叶片也是螺旋轴加工制造过程中非常关键的一步。螺旋叶片焊接前，先在芯轴上划线，确定螺旋叶片与芯轴之间拼接的位置，然后将螺旋叶片按划线位置定位至芯轴上。螺旋叶片与芯轴的焊接坡口为对称坡口，焊接过程除需要按正常的焊接工艺进行预热和保温之外，还需要通过焊接人员同时对称焊接以减少焊接的变形。

 
      图4 是芯轴铆焊时的情况。

  
    
    
     图3 芯轴拼焊示意

     
    
     图4 芯轴铆焊
  

      (5)螺旋轴的焊接完成后，需对焊缝进行超声波探伤，以确保焊缝的强度能满足要求。
 
      (6)焊接工序完成后，需利用数控车床对螺旋叶片的外缘进行加工，使加工后的叶片都是正圆，保证组装后的螺旋轴达到同心度要求。

     4 、螺旋轴的耐磨措施

     (1)螺旋输送机的工况恶劣，其输送的物料是盾构机前部刀盘旋转破碎的渣土，渣土中存在卵石、碎块、泥砂等，使螺旋轴的磨损严重，螺旋轴前三节的磨损尤其严重。为了提高螺旋轴的使用寿命，需对螺旋轴进行特殊的耐磨处理。主要的耐磨措施有焊接网格耐磨焊、焊耐磨层、焊接复合耐磨板和焊接合金块等形式。其中焊接网格耐磨焊主要适用于软土地层掘进，磨损比较小的工况，在芯轴以及叶片两侧面按事先的划好的网格线焊接出相应的网格耐磨焊。焊接耐磨层主要适用于复合地层磨损较严重的工况，耐磨层主要位于螺旋轴前三节螺旋叶片的两侧面，其余部位由于磨损相对比较小，采用网格耐磨焊的形式。焊接复合耐磨板以及焊接合金块的耐磨形式主要适用于磨损非常严重的地层，如全断面卵石地层和石英含量高的岩石地层。图5 为几种不同形式的耐磨措施。

                  图5 螺旋轴不同形式的耐磨措施

      5 、结论

      通过对螺旋轴的加工制造过程进行分析，总结出以下结论:
 
     (1)螺旋输送机为适应复杂的地质工况，其螺旋轴芯轴采用分段拼焊形式，材质采用焊接性能优良的低碳高合金结构钢Q345B。
 
     (2)加工制造过程中通过优化焊接工艺方法及相应工装控制螺旋轴的变形量，保证同心度。
 
     (3)针对不同的地质工况，螺旋轴芯轴及叶片可采用不同的耐磨措施。