3m盾構(gòu)機減速器的研發(fā)

苗闖 李浩

摘 要：隨著中國大規(guī)模的基礎設施建設、西部大開發(fā)的實施，中國的鐵路、公路、引水、大中型水電站以及國防建設等工程中將有大量的長大隧道需要建設，現(xiàn)代城市建設中的地鐵工程、市政工程（排污管、輸水管、通訊、電力管道等）、越江隧道也在不斷增加。開挖這些大量的地下隧道工程，工期對經(jīng)濟效益和生態(tài)環(huán)境等方面有著重大影響，而且地下工程掘進工作面又常常受到很大的限制，面對速度、環(huán)保、效益等問題，使用盾構(gòu)機無疑是最好的選擇之一。

關鍵詞：盾構(gòu)機 減速器 自主研發(fā)

中圖分類號：TH34 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）03（c）-0060-02

盾構(gòu)機減速器中技術(shù)含量最高的產(chǎn)品是主驅(qū)動減速器、管片拼裝機減速器和螺旋輸送機減速器。這3種減速器作為盾構(gòu)機的主要部件起著至關重要的作用。它的質(zhì)量直接決定了盾構(gòu)機可靠性的高低。要實現(xiàn)盾構(gòu)機的高國產(chǎn)化率，就必須實現(xiàn)減速器的國產(chǎn)化。

1 主要研究技術(shù)內(nèi)容、預期目標及創(chuàng)新點

盾構(gòu)機中的主驅(qū)動減速器、管片拼裝機減速器和螺旋輸送機減速器都是采用的大致相同的行星結(jié)構(gòu)，所以在技術(shù)研究上都是相同的。

1.1 高功率密度行星齒輪減速器設計技術(shù)

由于結(jié)構(gòu)限制和大功率傳動需要，盾構(gòu)機減速器是采用NGW型的漸開線行星齒輪傳動方式。在合理的均載機構(gòu)保證下設計成三行星或更多行星的結(jié)構(gòu)，太陽輪和行星輪采用含鎳、鉻的合金鋼材料、滲碳淬火磨齒工藝，齒面硬度HRC58-62，齒輪精度根據(jù)計算和實驗最終確定，不低于GB 10095中的6級；內(nèi)齒圈采用中碳調(diào)質(zhì)鉻、鉬或鎳、鉻合金鋼，調(diào)質(zhì)處理齒面硬度HB300左右，齒輪精度不低于GB 10095中的7級，必要時采用感應淬火后磨齒工藝。以我們現(xiàn)在的設計技術(shù)可以達到工況系數(shù)KA=1時，100～120kN.m/1000kg，因此我們可以有把握地設計出尺寸小、重量輕的低速重載齒輪箱。

1.2 多行星輪傳動的嚙合均載技術(shù)

行星傳動裝置之所以具有體積小、重量輕、承載能力高的優(yōu)點，主要是由于在結(jié)構(gòu)上利用了多個行星輪分擔載荷，形成功率分流，并合理使用內(nèi)嚙合傳動的效果。因此，使行星輪載荷均衡，就是要求太陽輪傳遞給各行星輪的作用力相等，但這種理想的受力狀態(tài)實際上是很難達到的。從結(jié)構(gòu)上采取措施，在行星減速器中采用合理的均載機構(gòu)，是不依賴工藝條件、簡單經(jīng)濟的辦法。

在行星減速器中，對基本構(gòu)件如太陽輪、內(nèi)齒輪、行星架不加徑向支撐，允許做徑向及偏轉(zhuǎn)位移，當受載不均衡時，即可自動定心，直至各行星輪間載荷均勻分配為止。這就是，通過基本構(gòu)件浮動來增加機構(gòu)的自由度消除或減少虛約束，達到均載的目的。

1.3 減速器水冷結(jié)構(gòu)設計及溫升控制

主驅(qū)動減速器同其他減速器相同，主要的熱源有齒輪副嚙合傳動產(chǎn)生的熱量和軸承的摩擦發(fā)熱。但由于該減速器單位體積承載能力更大，而且取消了外殼，直接將內(nèi)齒輪作為殼體，緊湊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)外同時嚙合形成的集中熱量、有限的散熱表面使減速器傳熱條件變壞，有必要采取有效的措施去除影響減速器正常工作的不利因素。根據(jù)刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的行星減速器現(xiàn)場工作條件采用循環(huán)冷卻油強制散熱的辦法為減速器散熱。

1.4 齒輪熱處理及變形控制技術(shù)

開展熱處理工藝技術(shù)條件及各工藝過程的控制技術(shù)的研究，由于硬齒面齒輪在嚙合齒面接觸處有很大的接觸應力，同時齒根部承受最大彎曲應力，因此在齒輪工作過程中其失效形式主要表現(xiàn)在斷齒、齒面磨損、塑性變形等。特別是大功率減速器齒輪其受力情況更加復雜，不僅齒面要有足夠的硬度和耐磨性，而且要提高輪齒芯部的強度和韌性等綜合機械性能，才能滿足齒輪的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度的更高要求，因此采用硬齒面技術(shù)，通過對優(yōu)質(zhì)低碳合金鋼滲碳淬火的熱處理工藝方法是最有效的途徑。

采用滲碳淬火磨齒工藝加工的齒輪，有良好的耐磨表面、合理的硬度梯度、適當?shù)男静坑捕扰浜?、完美的精度控制，為高強度齒輪提供了可靠保證。

齒輪的熱處理主要工藝方法是調(diào)質(zhì)、表面感應淬火、滲氮、滲碳。采用調(diào)質(zhì)工藝已滿足不了高功率密度減速器的使用強度要求；表面感應淬火，其淬硬層分布硬度較陡，淬硬層質(zhì)量不宜控制，齒根與齒面淬硬層分布不一致，特別是淬火溫度控制較難，同時硬度有一定的限制，反應在使用過程中點蝕和斷齒較多；采用滲氮工藝，因其實現(xiàn)的層淺無法滿足高功率密度要求；而滲碳淬火工藝隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展已完全實現(xiàn)了計算機控制，使工藝過程得以精確把握，表面硬度可達到HRC54～62范圍內(nèi)任意控制，同時硬化層分布合理、均勻。滲碳齒輪的硬度比調(diào)質(zhì)硬度提高近100%。

采用滲碳淬火磨齒工藝加工的齒輪，由于承載能力的提高，從而減輕了齒輪的尺寸及相應的重量，使減速器實現(xiàn)了體積小、重量輕和高性價比，可以滿足土壓平衡盾構(gòu)大功率減速器在單位體積內(nèi)傳遞最大的扭矩的要求。

通過對熱處理滲碳工藝研究，采用新型滲碳爐，滲碳過程實現(xiàn)微機控制，各滲碳區(qū)間可以仿真。保證有效硬化層的深度和硬度梯度的合理分布。淬火油采用快速光亮淬火油，最大限度地減薄齒面脫碳層，通過滲碳淬火過程控制，避免出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物，保證磨齒過程中不出現(xiàn)裂紋，金相組織滿足要求。

2 國內(nèi)外相關產(chǎn)品與技術(shù)發(fā)展水平、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

國際上，盾構(gòu)機的發(fā)展經(jīng)歷了一個較漫長的過程。從1845年開始的l00多年的時間里，全世界的發(fā)明家都在尋找實現(xiàn)巖石隧道掘進機械化的方法。直到1952年，美國羅賓斯公司的創(chuàng)始人——吉姆斯·羅賓斯先生開發(fā)了第一臺具有實用性的、開掘巖石隧道的巖石掘進機，找到了巖石隧道掘進機械化的方法。

此后至今的40年來，無論是巖石掘進機還是盾構(gòu)掘進機都得到了突飛猛進的發(fā)展。使用巖石掘進機掘進的隧道已超過l0000km，盾構(gòu)機掘進的隧道更多。目前，在國際上盾構(gòu)機技術(shù)已經(jīng)成熟，已達到工作可靠性高、定向精度高、自動化水平高、適應能力強、掘進速度快、使用壽命長等苛刻要求。

而實現(xiàn)這些苛刻要求的前提就是盾構(gòu)機中的減速器需要具有較高的可靠性。目前國內(nèi)減速器產(chǎn)品的設計水平與國際上相差無幾，我們需要提高的關鍵點主要集中在材質(zhì)、熱處理和工藝手段上。這些是我們主要的研究內(nèi)容。

3 結(jié)語

經(jīng)歷了幾個月的減速器研發(fā)工作，其中遇到了很多困難，但是由于大家的幫助和筆者對研發(fā)設計的執(zhí)著，克服了種種障礙成功地完成了3m盾構(gòu)機減速器的這項工作，這不僅是對筆者個人努力的一種肯定，也是對團隊合作的一種贊譽。

參考文獻

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