土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

楊 云 李 強(qiáng) 邱 健

（濟(jì)南重工股份有限公司，濟(jì)南 250109）

盾構(gòu)機(jī)必須根據(jù)隧道工程地質(zhì)、水文和斷面尺寸等施工環(huán)境和要求進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)用于支承刀盤并在施工過程中為刀盤開挖掘進(jìn)提供和控制所需扭矩。根據(jù)盾構(gòu)機(jī)幾何設(shè)計(jì)、刀具配置和刀盤結(jié)構(gòu)，結(jié)合地層相應(yīng)條件，計(jì)算確定推力、刀盤扭矩和轉(zhuǎn)速等參數(shù)，為土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析提供依據(jù)。

圖1 某變頻電機(jī)扭矩曲線圖

1 主驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)主要包括驅(qū)動(dòng)動(dòng)力、減速機(jī)、齒輪副、主軸承、密封和潤滑、主驅(qū)動(dòng)箱等，驅(qū)動(dòng)路徑為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力→減速機(jī)→小齒輪→主軸承→驅(qū)動(dòng)盤→刀盤，具有傳遞扭矩大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜緊湊、控制精度高等特點(diǎn)。盾構(gòu)機(jī)的施工性質(zhì)決定主驅(qū)動(dòng)必須具有可靠性高、同步性好以及良好的操作性能，因此，需要對(duì)其關(guān)鍵零部件和結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)一般設(shè)計(jì)過程主要包括：（1）總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定主驅(qū)動(dòng)主要結(jié)構(gòu)型式；（2）對(duì)主要傳動(dòng)部件進(jìn)行計(jì)算、選型及校核；（3）驅(qū)動(dòng)箱及環(huán)件設(shè)計(jì)；（4）密封及潤滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)；（5）其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.1 主軸承

主軸承長期在重載、變載工況下工作，并同時(shí)承受軸向、徑向及傾覆力矩，要求可靠性高、使用壽命長，目前較多采用三排組合圓柱滾子結(jié)構(gòu)，其動(dòng)套圈也作為與小齒輪嚙合傳動(dòng)的大齒圈。根據(jù)各種工況及占比，初步選取圓柱滾子節(jié)圓直徑，計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷，以達(dá)到基本額定壽命要求，計(jì)算當(dāng)量靜載荷，控制主軸承的永久變形量，最后進(jìn)行接觸應(yīng)力校核[1-2]。

1.2 小齒輪

小齒輪通常為漸開線直齒圓柱齒輪，與主軸承大齒圈組成齒輪副，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和手冊(cè)進(jìn)行幾何尺寸計(jì)算、強(qiáng)度和壽命校核，確定主要參數(shù)，進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)[3]。

1.3 減速機(jī)

由于速比、扭矩和空間限制，減速機(jī)選用行星齒輪減速機(jī)，根據(jù)減速機(jī)工況條件，對(duì)減速機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度校核、熱平衡校核、徑向載荷校核等[4]。

1.4 驅(qū)動(dòng)動(dòng)力

雖然近年出現(xiàn)永磁同步驅(qū)動(dòng)、電液混合驅(qū)動(dòng)等方式，但液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)仍是主驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)有主要驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)體積小、效率低、后續(xù)設(shè)備多，較常用于中小型盾構(gòu)，變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)體積大、效率高、后續(xù)設(shè)備少，較常用于大直徑盾構(gòu)，從節(jié)能方向及發(fā)展趨勢來看，變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式是刀盤驅(qū)動(dòng)今后的發(fā)展方向[5]。

以變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)為例，在設(shè)計(jì)選型過程中，根據(jù)刀盤額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩、脫困扭矩等參數(shù)，進(jìn)而確定變頻電機(jī)功率、額定扭矩、數(shù)量以及恒扭矩和恒功率范圍，某變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速、功率和扭矩曲線如圖1所示。

1.5 密封和潤滑

根據(jù)主驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)尺寸和工況條件，進(jìn)行密封裝置的選用配置和潤滑介質(zhì)的選用計(jì)算，防止密封滑動(dòng)面磨損和雜物侵入，保證主驅(qū)動(dòng)處于良好的潤滑狀態(tài)[6-7]。

1.6 主驅(qū)動(dòng)箱

主驅(qū)動(dòng)主要部件確定后即可進(jìn)行主驅(qū)動(dòng)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主驅(qū)動(dòng)箱設(shè)計(jì)必須保證其具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

1.7 其他

主驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)式設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)進(jìn)行小齒輪滾動(dòng)軸承選型及布置[8]、螺栓選用、管路設(shè)計(jì)、耐磨網(wǎng)格布置以及試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)等。

2 實(shí)例分析

某施工標(biāo)段刀盤轉(zhuǎn)速和扭矩如表1所示。

表1 刀盤轉(zhuǎn)速和扭矩參數(shù)表

表2 主驅(qū)動(dòng)主要參數(shù)表

通過對(duì)主要部件進(jìn)行計(jì)算和校核，確定主驅(qū)動(dòng)主要參數(shù)如表2所示。

3 結(jié)語

盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要反復(fù)調(diào)整、校核，通過與控制系統(tǒng)、流體系統(tǒng)結(jié)合，并在實(shí)際施工中驗(yàn)證，不斷分析、總結(jié)，以使結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化、計(jì)算選型更加準(zhǔn)確合理。