大直徑(φ 11.58 m)盾構(gòu)機刀盤驅(qū)動裝置用回轉(zhuǎn)支承國產(chǎn)化的探討

陳佳璋上海市第二市政工程有限公司,上海

1 前言

盾構(gòu)掘進機是實現(xiàn)掘進、出土、洞壁支護等一次開挖成洞隧道施工的關(guān)鍵設(shè)備。從上世紀90年代開始,因城市地鐵隧道和大型越江公路隧道建設(shè)的需要,我國先后從德、法、日等國引進了相當數(shù)量的盾構(gòu)機,用于上海、北京、廣州等地的地鐵、越江公路隧道的施工。近年來,隨著國家與社會經(jīng)濟的發(fā)展,國內(nèi)省會或經(jīng)濟發(fā)達的城市,均先后開始建造城市地鐵交通和公路隧道。因此,對盾構(gòu)機的需求大增。為逐步改變“洋盾構(gòu)”一統(tǒng)天下的局面,曾先后有上海、河南等地的單位研制了國產(chǎn)盾構(gòu)機,滿足了一部分市場的需要。但就國產(chǎn)盾構(gòu)機中的關(guān)鍵部件——刀盤的驅(qū)動裝置(包括回轉(zhuǎn)支承)仍依賴進口,由于國外廠商對該類產(chǎn)品一般是單件定制生產(chǎn),生產(chǎn)周期長,價格昂貴,一定程度上制約了國內(nèi)盾構(gòu)機的發(fā)展。本文擬從日本引進的φ 11.58 m盾構(gòu)機及其回轉(zhuǎn)支承的使用、強度、制造工藝等有關(guān)問題予以總結(jié),希望對今后盾構(gòu)機關(guān)鍵部件的國產(chǎn)化的國內(nèi)同行有所裨益。

2 刀盤的驅(qū)動系統(tǒng)與回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)

盾構(gòu)刀盤驅(qū)動裝置的特點是傳遞功率與轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速低、要求可靠性高。φ 11.58 m盾構(gòu)機刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的主要參數(shù)見表1。

圖1所示為盾構(gòu)的刀盤驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)布置圖。圖2所示為三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承的結(jié)構(gòu)簡圖。

表1 φ 11.58 m盾構(gòu)刀盤驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)系Table 1 φ 11.58 m cutting wheel drive systemdata

圖1 刀盤驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)布置圖Fig.1 Arrangement of cutting wheel drive system

3 回轉(zhuǎn)支承外嚙合齒輪副的強度驗算

圖2 三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Diagram of three-row roller swing bearing

小齒輪(行星減速器輸出的)材料為SCM430(相當于我國的 20CrMnMo、20CrMnTi),滲碳、整體淬火,齒面硬度HRC58～62,芯部硬度HRC34～38,有效硬化層深度：DC=2.6±0.2 mm;精度7級(GB/T 10095—2008),磨齒?；剞D(zhuǎn)支承大齒輪材料為SCM445(相當于我國的40CrMo)調(diào)質(zhì)表淬鋼,設(shè)計要求開齒調(diào)質(zhì)硬度HB260～300,齒面高頻(沿齒根連續(xù)加熱)淬火硬度HRC54～58,精度10級(GB/T 10095—2008)。根據(jù)文獻[1],齒輪接觸,彎曲強度驗算結(jié)果見表3。

由表1和表3,盾構(gòu)機的主參數(shù)和強度驗算結(jié)果可知,采用速比143.3的三級串聯(lián)式2k～h型行星齒輪減速器,充分利用了行星傳動的優(yōu)越性。另外,回轉(zhuǎn)支承的外齒輪采用開齒調(diào)質(zhì)表淬工藝,強度裕度較合理。

4 回轉(zhuǎn)支承滾動軸承的壽命驗算和檢測

根據(jù)本公司對盾構(gòu)機在上海等地區(qū)施工實測的數(shù)據(jù)分析,并參照國外資料[2][3],盾構(gòu)機工況與載荷比等的數(shù)據(jù)見表4。軸承的額定動負荷C與額定靜負荷C0值見表5。

回轉(zhuǎn)支承軸承以額定動負荷和額定靜負荷(刀盤工作轉(zhuǎn)速小于10 m/s)驗算其壽命。驗算結(jié)果見表6。

據(jù)[2]提供的資料,回轉(zhuǎn)支承的滾動軸承壽命為5000小時,但本公司使用本盾構(gòu)機已完成了上海大連路、復興東路、翔殷路3條越江公路隧道的施工,軸承的累計工作時間為4900小時(接近5000小時的質(zhì)保期),按此工作時間回轉(zhuǎn)支承已將到終止使用的壽命。經(jīng)過上述理論計算和本公司多年隧道施工實踐所積累的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗,再會同上海市機械工程學會的專家們和有關(guān)專業(yè)廠商的分析,實測齒輪和軸承的硬度、磨損、軸向、徑向間隙等數(shù)據(jù),均在正常范圍之內(nèi)(見表7、表8、表9),認為該回轉(zhuǎn)支承可繼續(xù)使用。后再經(jīng)西藏南路越江隧道(2010年上海世博會專用越江公路隧道)和虹橋交通樞紐站仙霞路隧道施工共累計約3300小時,6條隧道總共約8200小時的使用后,回轉(zhuǎn)支承及其齒輪未出現(xiàn)損傷、失效。

表3 接觸、彎曲強度驗算結(jié)果Table 3 Results of contact and bending strength

表4 盾構(gòu)機工況與載荷比Table 4 Condition and load ratio of shield machine

表5 軸承的額定動負荷C與額定靜負荷C0值Table 5 Dynamic load Cand static load C0of bearing

表6 回轉(zhuǎn)支承軸承驗算結(jié)果Table 6 Calculation results of swing bearing

5 結(jié)語

(1)大直徑盾構(gòu)掘進機驅(qū)動裝置用回轉(zhuǎn)支承是盾構(gòu)機的關(guān)鍵部件之一,既行齒輪嚙合傳動,又有滾動軸承的承載要求,且在施工中受力情況較復雜,要精確計算其壽命有一定難度,國內(nèi)尚未制定盾構(gòu)機用回轉(zhuǎn)支承的標準。目前,幾乎所有國內(nèi)的盾構(gòu)機用回轉(zhuǎn)支承仍依賴進口。

表7 回轉(zhuǎn)支承整體檢測數(shù)據(jù)Table 7 Swingbeating whole detection data

表8 回轉(zhuǎn)支承拆卸后A環(huán)與齒圈(圖2)的檢測數(shù)據(jù)Table 8 Race A and gear race(fig.2)detection data of separated swing bearing

表9 回轉(zhuǎn)支承拆卸后B環(huán)(圖2)的檢測數(shù)據(jù)Table 9 Race B(fig.2)detection data of separated swingbearing

(2)本文作者根據(jù)多年來從事地下工程機械的研制和引進盾構(gòu)機施：的經(jīng)驗對回轉(zhuǎn)支承進行理論分析利實際應用的總結(jié),供國內(nèi)同行的進一步探討,并期望早日實現(xiàn)盾構(gòu)機及其驅(qū)動裝置(含回轉(zhuǎn)支承)的國產(chǎn)化。

[1]齒輪減速器的結(jié)構(gòu)與計算[J].上海：上?？萍汲霭嫔?1982

[2]光洋精工株式會社[日]進口隨機附件

[3]石川島播磨重工業(yè)株式會社[日]進口隨機附件

[4]朱孝錄.齒輪傳動設(shè)計手冊[J].北京：化學工業(yè)出版社,2005