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(中鐵隧道集團(tuán)有限公司專用設(shè)備中心，河南 洛陽 471009)

盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)失效原因分析

常孔磊，趙新合，李大偉

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司專用設(shè)備中心，河南 洛陽 471009)

為解決盾構(gòu)法施工中盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)失效問題，以北京市海淀區(qū)500 kV電力隧道工程為依托，結(jié)合以往盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)修復(fù)經(jīng)驗(yàn)，從主電機(jī)同步性、故障減速機(jī)解體、保險(xiǎn)軸斷裂及掘進(jìn)參數(shù)等方面進(jìn)行研究。得到盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)失效的原因有: 1)掘進(jìn)參數(shù)不合理；2)二、三級(jí)減速機(jī)構(gòu)滾動(dòng)軸承失效?？蔀榻窈蠖軜?gòu)法施工及減速機(jī)故障處理提供良好的決策依據(jù)。

盾構(gòu)；主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)；失效；原因分析

0 引言

盾構(gòu)法以其自動(dòng)化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、速度快、隱蔽性能好及對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，在城市地下空間開發(fā)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。行星齒輪減速機(jī)作為驅(qū)動(dòng)盾構(gòu)刀盤旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件，其輸入端與變頻電機(jī)相連,輸出端與主軸承內(nèi)齒圈相嚙合,不僅要傳遞動(dòng)力,還要承受沖擊載荷。盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中，刀盤因推進(jìn)產(chǎn)生的軸向力可以由承壓隔板進(jìn)行平衡，因旋轉(zhuǎn)所受摩擦扭矩產(chǎn)生的徑向力將會(huì)通過主軸承傳遞到減速機(jī)上，減速機(jī)將接受各種工況下扭矩的沖擊，特別在地質(zhì)突變和緊急制動(dòng)的情況下，沖擊特別明顯，這就有可能造成減速機(jī)失效，從而導(dǎo)致停機(jī)。

國(guó)外盾構(gòu)法施工比較成熟，主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)故障處理多以預(yù)防為主，施工過程中注重運(yùn)轉(zhuǎn)監(jiān)測(cè)。伴隨著地下空間開發(fā)利用步伐的不斷加快，國(guó)內(nèi)盾構(gòu)保有量激增，而設(shè)備操作保養(yǎng)人員相對(duì)不足、運(yùn)轉(zhuǎn)監(jiān)測(cè)工作滯后，近期多次出現(xiàn)盾構(gòu)尚沒有達(dá)到大修期，而主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)卻異常損壞的情況，故在盾構(gòu)施工中對(duì)主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)及故障處理應(yīng)引起高度的重視。熊晨君等[1]、楊明金[2]分別以海瑞克和NFM盾構(gòu)為例對(duì)主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)的故障及處理進(jìn)行了研究；雷亞國(guó)等[3]對(duì)行星齒輪減速機(jī)故障診斷進(jìn)行了研究；田華軍等[4]、羅春虎[5]對(duì)主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)保險(xiǎn)軸的斷裂進(jìn)行了研究；劉珍來[6]、陳亮等[7]對(duì)主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究。但這些研究很少有針對(duì)主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)異常損壞原因進(jìn)行深入分析的。本文結(jié)合北京市海淀區(qū)500 kV電力隧道3標(biāo)段盾構(gòu)減速機(jī)損壞案例，針對(duì)減速機(jī)損壞造成停機(jī)這一現(xiàn)象，重點(diǎn)對(duì)減速機(jī)的損壞原因進(jìn)行分析。

1 工程與設(shè)備概況

1.1 工程概況

北京市海淀區(qū)500 kV電纜隧道第3標(biāo)段，始于三府路東側(cè)，沿永定河引水渠北岸向東至石河村路與八大處路中間。施工里程為0+000～1+1 980.125 m，全長(zhǎng)1 980.125 m。隧道主要穿越地層為細(xì)砂層、卵石層、碎石混黏土層，絕大部分為卵石層，標(biāo)段西部地層為碎石混黏土層，卵石層直徑一般為60～80 mm，最大直徑為100 mm，碎石混黏土層含強(qiáng)風(fēng)化碎石，碎石呈棱角狀，直徑一般為20～40 mm，最大直徑為100 mm。施工時(shí)，受卵石層的影響，不均勻載荷通過主驅(qū)動(dòng)大齒圈傳遞給減速機(jī)，對(duì)減速機(jī)沖擊較大。

1.2 設(shè)備概況

中鐵3號(hào)盾構(gòu)系國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)制造的土壓平衡盾構(gòu)，開挖直徑為6 280 mm，最大推進(jìn)速度為 80 mm/min。主驅(qū)動(dòng)采用6個(gè)變頻電機(jī)沿圓周方向布置，主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)采用意大利原裝進(jìn)口戴納米克三級(jí)行星齒輪減速機(jī)，雙向變頻驅(qū)動(dòng)，連續(xù)輸出功率為102 kW，連續(xù)輸出扭矩為92.5 kN·m，減速比為1∶124.74。驅(qū)動(dòng)小齒輪與減速機(jī)之間通過保險(xiǎn)軸連接，在受到異常載荷沖擊時(shí)可以保護(hù)主電機(jī)和減速機(jī)。

2 故障現(xiàn)象

2013年4月5日盾構(gòu)正常掘進(jìn)至528環(huán)時(shí)，突然出現(xiàn)刀盤扭矩大幅度的波動(dòng)，6號(hào)主電機(jī)接近滿負(fù)荷工作，隨后出現(xiàn)6號(hào)主電機(jī)跳停。這種情況下判斷減速機(jī)可能已經(jīng)損壞，停機(jī)對(duì)6號(hào)減速機(jī)解體檢查。解體時(shí)發(fā)現(xiàn)減速機(jī)整體損壞嚴(yán)重，特別是第三級(jí)減速機(jī)構(gòu)的太陽齒、行星齒、內(nèi)齒圈和行星齒輪軸。損壞部件如圖1所示。

3 減速機(jī)損壞原因分析

根據(jù)主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)構(gòu)的工作原理并結(jié)合故障的實(shí)際情況進(jìn)行分析，導(dǎo)致主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)損壞的原因應(yīng)從以下方面進(jìn)行分析。

3.1 主電機(jī)同步性分析

分析電力隧道項(xiàng)目，有可能由于在調(diào)試過程中，變頻器對(duì)電機(jī)的控制不同步，造成電機(jī)之間存在內(nèi)部受力不均勻，以致電機(jī)的轉(zhuǎn)矩上下波動(dòng)。雖然沒有達(dá)到減速機(jī)損壞的程度，但是因?yàn)楦哳l的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，造成了減速機(jī)的疲勞損壞。中鐵3號(hào)盾構(gòu)在始發(fā)前進(jìn)行了全面調(diào)試，因電機(jī)不同步造成減速機(jī)損壞的可能性比較小。為了驗(yàn)證這一分析，對(duì)變頻器參數(shù)進(jìn)行了復(fù)核，復(fù)核結(jié)果沒有異常，排除了因電機(jī)不同步造成減速機(jī)損壞的可能性。

3.2 減速機(jī)解體分析

軸承的失效按其損傷機(jī)制可以分為接觸疲勞失效、磨損失效、斷裂失效、塑性變形失效、腐蝕失效和游隙變化失效等幾種基本形式。根據(jù)解體情況發(fā)現(xiàn)軸承的失效形式為斷裂失效，由于刀盤扭矩增加，減速機(jī)負(fù)荷變大，減速機(jī)內(nèi)部的軸承特別是傳遞扭矩較大的二、三級(jí)減速機(jī)構(gòu)內(nèi)部的滾動(dòng)軸承載荷超過軸承零件材料強(qiáng)度極限,造成軸承零件斷裂。

(a) 太陽齒

(b) 行星齒

(c) 內(nèi)齒圈

(d) 行星齒輪軸

齒輪在使用過程中的主要損壞形式有磨損失效、表面疲勞失效、塑性變形失效及斷齒失效。根據(jù)拆解情況發(fā)現(xiàn)本減速機(jī)內(nèi)部齒輪的損壞形式主要為斷齒失效。斷齒失效是因短時(shí)過載或沖擊載荷而產(chǎn)生的折斷，齒面較小的太陽輪發(fā)生全齒折斷，輪轂較薄的行星輪發(fā)生開裂。

結(jié)合卓輪及三井三池減速機(jī)的維修經(jīng)驗(yàn)，減速機(jī)損壞可能是由于二、三級(jí)減速機(jī)構(gòu)行星輪中的滾動(dòng)軸承受到?jīng)_擊，支撐架變形、斷裂，滾動(dòng)體進(jìn)入齒輪嚙合區(qū)，造成齒輪的斷齒，減速機(jī)卡死，是此次減速機(jī)損壞的主要原因。

3.3 保險(xiǎn)軸斷裂分析

保險(xiǎn)軸的設(shè)計(jì)要求是: 一方面，當(dāng)載荷達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)及時(shí)斷裂，起保護(hù)作用；另一方面，在設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)不能發(fā)生疲勞損壞。而在本項(xiàng)目中減速機(jī)損壞時(shí)保險(xiǎn)軸斷裂卻沒有起到過載保護(hù)作用，有必要對(duì)保險(xiǎn)軸的設(shè)計(jì)強(qiáng)度進(jìn)行校核。

查閱盾構(gòu)的設(shè)計(jì)資料可知,保險(xiǎn)軸的材料為42CrMo4，其彈性模量為2.06×1011Pa,泊松比為0.3。保險(xiǎn)軸的材料的性能及其幾何參數(shù)如表1和表2所示。保險(xiǎn)軸結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

表1 42CrMo4材料性能參數(shù)Table 1 Parameters of Material-42CrMo4

表2 保險(xiǎn)軸幾何參數(shù)Table 2 Geometric parameters of safety axis

圖2 保險(xiǎn)軸結(jié)構(gòu)圖(單位: mm)

由圖2可知，其最大剪應(yīng)力發(fā)生在扭剪槽的位置，根據(jù)計(jì)算公式，剪應(yīng)力

τ=Mmax/W。

(1)

保險(xiǎn)軸理論設(shè)計(jì)扭矩

Mmax=τ×W=τ×πd3/16=563×106×3.14×0.143/16=303.18 kN·m。

(2)

根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，應(yīng)考慮形狀因素、尺寸效應(yīng)及表面加工質(zhì)量對(duì)保險(xiǎn)軸強(qiáng)度的影響，結(jié)合保險(xiǎn)軸的相關(guān)參數(shù)，此處取應(yīng)力集中系數(shù)k=1.55，尺寸系數(shù)ε=0.71，表面加工影響系數(shù)β=1.617。

則保險(xiǎn)軸實(shí)際設(shè)計(jì)扭矩

ML=ε×β/k×Mmax=0.71×1.617/1.55×303.181=224 kN·m。

(3)

為保證盾構(gòu)脫困時(shí)保險(xiǎn)軸不斷裂，保險(xiǎn)軸實(shí)際可承載扭矩為盾構(gòu)脫困時(shí)承載扭矩的1.2倍。查資料得盾構(gòu)的脫困扭矩為6 840 kN·m，則單個(gè)保險(xiǎn)軸應(yīng)傳遞的扭矩

Ms=MT/n×i×k=6 840/6×15/105×1.2=195.4 kN·m。

(4)

式中:n=6為保險(xiǎn)軸個(gè)數(shù)；i=15/105為小齒輪與主軸承齒圈減速比;k為保險(xiǎn)軸的安全系數(shù)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可知保險(xiǎn)軸實(shí)際承載扭矩與設(shè)計(jì)扭矩相當(dāng)，根據(jù)保險(xiǎn)軸的脆性斷裂現(xiàn)象，可推斷是由于減速機(jī)先損壞卡死，造成保險(xiǎn)軸在主軸承的帶動(dòng)作用下發(fā)生脆性斷裂所致。

3.4 掘進(jìn)參數(shù)分析

減速機(jī)損壞前一日(4月5日)和減速機(jī)損壞當(dāng)日(4月6日)的掘進(jìn)參數(shù)對(duì)比分析如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可知，4月5日14時(shí)19分6號(hào)減速機(jī)扭矩開始大幅度波動(dòng)，同一時(shí)段刀盤扭矩也在0～6 000 kN·m波動(dòng)，直至4月6日10時(shí)20分減速箱徹底損壞。4月5日—6日6號(hào)減速機(jī)最大扭矩為103.4 kN·m，超過額定扭矩92.5 kN·m的11.78%，超過額定扭矩時(shí)間共約5.5 min。因此，有必要對(duì)當(dāng)前地層刀盤扭矩進(jìn)行核算[8]。

圖3 2013年4月5日與6日6號(hào)變頻器輸出扭矩對(duì)比圖

圖4 2013年4月5日與6日刀盤輸出扭矩對(duì)比圖

施工過程中，盾構(gòu)刀盤對(duì)土體進(jìn)行切削，刀盤扭矩主要克服刀盤與土體之間的摩擦阻力扭矩、切削土體時(shí)的地層抗力扭矩、攪拌土體的攪拌扭矩及刀具受到的摩擦阻力扭矩等，它們之間的關(guān)系式為

T=πd3/12×fpp(1-ξ)+πd3/4×fγ′HB(1+k0)+[p0tan2(π/4+φ/2)+2ctan (π/4+φ/2)]D2/8×v/ω+

(5)

式中:d為刀盤直徑;f為鋼板與土體的摩擦系數(shù)；pp為被動(dòng)失穩(wěn)極限支護(hù)力；ξ為刀盤開口率；γ′為土體有效重度；H為盾構(gòu)軸線埋深；B為刀盤的寬度；k0為靜止土壓力系數(shù)；p0為土層的初始側(cè)向土壓力；φ為刀盤前方土體內(nèi)摩擦角;c為刀盤前方土體黏聚力;v為盾構(gòu)掘進(jìn)速度;ω為刀盤轉(zhuǎn)速；H0為攪拌葉片覆土深度;Db為攪拌葉片直徑;Lb為攪拌葉片長(zhǎng)度;Rb為攪拌葉片到刀盤中心距離。

將盾構(gòu)目前所處地層的土層參數(shù)[9-12](如表3所示)及盾構(gòu)相關(guān)參數(shù)(如表4所示)代入式(1)中，可計(jì)算出在當(dāng)前地層中掘進(jìn)刀盤所需要的理論扭矩

T=1 724+1 259+207+3.12=3 193.1 kN·m。

表3 盾構(gòu)當(dāng)前所處地層參數(shù)表Table 3 Parameters of ground where shield is boring

表4 盾構(gòu)相關(guān)參數(shù)表Table 4 Parameters of shield

將此理論值與減速機(jī)損壞前的實(shí)際值對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證了前面的分析，減速機(jī)長(zhǎng)時(shí)間受到異常載荷的沖擊，造成其內(nèi)部二、三級(jí)機(jī)構(gòu)比較薄弱的行星輪軸承的損壞；由于運(yùn)轉(zhuǎn)監(jiān)測(cè)不夠，引起整個(gè)減速機(jī)的嚴(yán)重?fù)p壞。

4 解決措施

4.1 加強(qiáng)油水檢測(cè)

對(duì)減速箱齒輪油周期性檢測(cè)，可以在減速箱發(fā)生點(diǎn)蝕過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)有少量金屬掉落，并及時(shí)對(duì)該減速箱進(jìn)行齒輪油的更換。在減速箱的進(jìn)一步損壞之前提前拆除更換，可以避免更嚴(yán)重事故的發(fā)生。

4.2 加強(qiáng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)

減速箱行星齒輪點(diǎn)蝕嚴(yán)重或齒輪箱內(nèi)雜質(zhì)超標(biāo)時(shí)，齒輪嚙合時(shí)振動(dòng)較大，可通過振動(dòng)檢測(cè)儀進(jìn)行判斷。同時(shí)，在齒輪表面剝落、斷裂時(shí)，減速箱因?yàn)椴荒苷９ぷ鳎矔?huì)產(chǎn)生異響。此時(shí)，對(duì)減速箱進(jìn)行故障處理可以避免事故的蔓延。

4.3 合理調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)

加強(qiáng)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)前方地質(zhì)情況的勘探，針對(duì)不同地層選用不同的掘進(jìn)參數(shù)。為避免因地層突變對(duì)減速機(jī)造成沖擊，結(jié)合盾構(gòu)刀盤額定扭矩，在程序中對(duì)電氣保護(hù)進(jìn)行設(shè)置，刀盤扭矩達(dá)到額定扭矩5 520 kN·m的90%時(shí)(即4 968 kN·m)推進(jìn)調(diào)停，達(dá)到額定扭矩時(shí)刀盤調(diào)停。

5 結(jié)論與討論

1)作為盾構(gòu)的關(guān)鍵主傳動(dòng)部件，行星齒輪減速機(jī)具有功率密度高、扭矩大、體積小及可靠性要求高等復(fù)雜技術(shù)要求，且由于減速機(jī)系統(tǒng)特殊的變載荷使用工況及地下施工等使用環(huán)境，一旦在施工中發(fā)生故障，將會(huì)造成不可估量的損失。

2)通過分析得到減速機(jī)失效的原因?yàn)? 掘進(jìn)參數(shù)不合理；二、三級(jí)減速機(jī)構(gòu)滾動(dòng)軸承失效。因此，施工過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控，特別在通過大粒徑的漂石或孤石地段，應(yīng)先對(duì)開挖面前方20 m進(jìn)行超聲波障礙物探測(cè)，及時(shí)查出大塊漂石等障礙物，對(duì)障礙物進(jìn)行破除。合理地調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，防止因刀盤扭矩異常引起減速機(jī)的損壞。

隨著國(guó)內(nèi)保有盾構(gòu)掘進(jìn)里程的不斷增加，對(duì)減速機(jī)備件的需求將會(huì)激增，而進(jìn)口行星齒輪減速機(jī)價(jià)格昂貴，供貨周期長(zhǎng)，難以滿足施工實(shí)際需求。如何設(shè)計(jì)制造小外形尺寸、大傳遞扭矩、滿足10 000 h壽命的行星齒輪減速機(jī)，是減速機(jī)國(guó)產(chǎn)化努力的一個(gè)方向。

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AnalysisonCausesforFailureofMainDriveReducerofShieldMachine

CHANG Konglei,ZHAO Xinhe,LI Dawei

(Tunneling-dedicatedEquipmentCenter,ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

In this paper,the causes for the failure of the main drive reducer of shield machines are studied in terms of synchronism of electric motor,disassembly of damaged reducer,break of safety axis and boring parameters of shield machine,with the shield machine for the 500 kV power tunnel in Haidian District in Beijing as an example.The main causes for the failure of the main drive reducer of the shield machine are as follows: 1) Irrational boring parameters;2) Failure of rolling bearing of the 2nd grade and the tertiary reducers.The paper can provide reference for shield boring and reducer failure treatment in the future.

shield;main drive reducer;failure;cause analysis

2013-10-24；

2013-12-19

?？桌?1985—)，男，河南南陽人，2009年畢業(yè)于鄭州輕工業(yè)學(xué)院，機(jī)械專業(yè)，本科，助理工程師，主要從事盾構(gòu)和TBM及大型專用設(shè)備的技術(shù)管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.02.015

U 45

A

1672-741X(2014)02-0173-05