盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)行星減速箱國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)

錢 瑞，肖 軍，汪 洋

（1.上海振華重工集團(tuán)（南通）傳動(dòng)機(jī)械有限公司，江蘇 南通 226010；2.中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司，江蘇 常熟215557）

0 引言

近年來，隨著我國(guó)地下工程建設(shè)事業(yè)的迅速發(fā)展，盾構(gòu)機(jī)作為主要施工裝備也得到越來越廣泛的應(yīng)用。刀盤驅(qū)動(dòng)部是盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，加工精度、安裝精度要求高，刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱是刀盤驅(qū)動(dòng)部的關(guān)鍵零部件，其工作在受限空間空間狹小且條件惡劣，運(yùn)輸、安裝、調(diào)試等工作十分困難。因此設(shè)計(jì)過程中，在保證足夠的強(qiáng)度、剛度及工作性能的情況下，應(yīng)盡量減小其體積，以便得到緊湊、合理的結(jié)構(gòu)形式。本文通過3025型刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱的設(shè)計(jì)研究，分析說明刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。

1 刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱工況特點(diǎn)

刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱工作時(shí)通過輸出端的小齒輪將扭矩傳遞到主軸承的大齒輪圈，從而驅(qū)動(dòng)安裝在大齒圈上的刀盤切削地層。在切削不同的地層時(shí)，巖石的軟硬程度不一，即使在同一地層，巖石的硬度也有所不同，所以驅(qū)動(dòng)部在切削地層時(shí)所承受的載荷是變化的。又由于刀盤與大齒圈是純剛性連接，在破碎巖石時(shí)所產(chǎn)生的沖擊負(fù)荷是很大的，所以在工作時(shí)刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱要承受很大的變載荷和強(qiáng)烈的沖擊負(fù)荷。

地下隧道施工空間狹小，隧道內(nèi)散熱性能很差，在連續(xù)負(fù)載下工作時(shí)，刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱的散熱性能很差，減速箱溫升較高。減速箱長(zhǎng)時(shí)間工作在較高的溫度下產(chǎn)生的后果如下：造成齒輪油老化加劇，影響齒輪油膜的形成，會(huì)出現(xiàn)潤(rùn)滑不良加速齒輪磨損，降低減速箱的可靠性；較高的溫度加速橡膠密封件的老化，容易導(dǎo)致漏油風(fēng)險(xiǎn)；較高的溫升會(huì)造成齒輪的嚙合側(cè)隙減小，導(dǎo)致齒輪潤(rùn)滑不良，也會(huì)加劇齒輪的磨損。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮合理的冷卻方式降低減速箱的溫升[1-3]。

刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱安裝在受限空間內(nèi)，對(duì)于減速箱的安裝尺寸有一定的要求。在滿足傳動(dòng)扭矩的同時(shí)，安裝尺寸越小越好。因此在設(shè)計(jì)的時(shí)候，要合理分配各級(jí)傳動(dòng)副的速比，尤其是末級(jí)行星副，速比分配直接影響到內(nèi)齒圈直徑的大小，進(jìn)而影響安裝尺寸大小。

2 刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高功率密度、強(qiáng)沖擊、強(qiáng)變載工況等特點(diǎn)，目前能為盾構(gòu)機(jī)提供刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱配套的只用德國(guó)、日本等幾家公司，根據(jù)查閱的國(guó)內(nèi)有關(guān)刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱的文獻(xiàn)，國(guó)內(nèi)在減速箱設(shè)計(jì)理論和國(guó)產(chǎn)化方面也有一些研究。陳亮[4]等對(duì)盾構(gòu)機(jī)減速器三級(jí)行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究，對(duì)盾構(gòu)機(jī)減速箱進(jìn)行動(dòng)態(tài)嚙合力理論計(jì)算和振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有較好一致性。劉金祥[5]等對(duì)使用過程中出現(xiàn)的故障分析，對(duì)刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化研究。綜上有關(guān)文獻(xiàn)，雖對(duì)刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱進(jìn)行了一些研究，但對(duì)于減速箱關(guān)鍵技術(shù)描述的比較粗略。因此，本文將對(duì)刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)做一些詳細(xì)描述。

3 刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱概述

3.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱的主要技術(shù)參數(shù)如表1所列。

表1 刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱的主要技術(shù)參數(shù)

3.2 設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱的主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如表2所列。

表2 技術(shù)指標(biāo)

3.3 刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱結(jié)構(gòu)

刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱結(jié)構(gòu)如圖1所示，該減速箱具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、傳遞扭矩大等特點(diǎn)。主要由水冷驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過花鍵軸將輸入扭矩依次傳遞到一級(jí)行星部件、二級(jí)行星部件、三級(jí)行星部件、輸出部件，最后通過輸出部件上的小齒輪將扭矩傳遞到盾構(gòu)機(jī)主軸承大齒圈從而驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)。

圖1 刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4 刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 齒輪材料的選用

為了滿足上述工況，在刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱設(shè)計(jì)中采用17NiCrMo6-4作為齒輪材料，表3是與常規(guī)材料20CrMnMo力學(xué)性能的對(duì)比。從表3中來看，各項(xiàng)力學(xué)性能遠(yuǎn)優(yōu)于20CrMnMo。通過第三級(jí)太陽(yáng)輪彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)計(jì)算來對(duì)比這兩種材料齒輪性能優(yōu)劣。

表3 力學(xué)性能對(duì)比

經(jīng)計(jì)算得出計(jì)算彎曲應(yīng)力σF=357.7 N/mm2，若采用20CrMnMo材料計(jì)算得齒根彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)SF1=1.58，若采用17NiCrMo6-4材料計(jì)算得齒根彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)SF2=1.82。根據(jù)以上計(jì)算得出，采用17NiCrMo6-4材料齒根彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)較高，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)中SF＞1.6的要求，可大大提高減速箱安全系數(shù)。

對(duì)于大扭矩、強(qiáng)沖擊的減速箱來說，選擇抗拉強(qiáng)度高、沖擊性能好的材料其強(qiáng)度安全系數(shù)才能更高，使用壽命才更有保障。

4.2 行星輪軸承采用齒輪軸承復(fù)合技術(shù)

工業(yè)領(lǐng)域的行星減速機(jī)中常用的行星輪軸承基本上都是帶外圈的滾動(dòng)軸承，軸承外圈與行星輪內(nèi)孔是過盈配合安裝。因?yàn)槭沁^盈配合，此結(jié)構(gòu)在安裝過程中較為困難。在使用過程，如果遇到大載荷及強(qiáng)沖擊工況，會(huì)造成軸承徑向跑圈及軸向竄動(dòng)的情況，大大降低了使用壽命。對(duì)于功率密度高、結(jié)構(gòu)緊湊的行星減速機(jī)來說，行星輪軸承壽命是整個(gè)減速機(jī)較為薄弱的一個(gè)環(huán)節(jié)，因此需要設(shè)計(jì)一種小安裝尺寸、高承載力的行星輪軸承。

為了解決上述問題，優(yōu)化設(shè)計(jì)的減速箱采用無(wú)外圈的滿裝圓柱滾子軸承，行星輪內(nèi)孔滲碳淬火后超精磨削當(dāng)作軸承外圈使用，這樣可以縮小行星輪軸承的外徑，相同當(dāng)量載荷的行星輪軸承外徑可以做的更小，有效解決行星輪軸承壽命偏低的問題。為了解決滿裝滾子軸承在空載條件下滾子打滑及在低速情況下滾子潤(rùn)滑油膜形成困難的難題，軸承采用特殊的黑化涂層，有效延長(zhǎng)軸承的使用壽命。同時(shí)軸承外圈與滾道之間是間隙配合，徹底解決過盈配合安裝困難的問題。

分別對(duì)三級(jí)行星輪內(nèi)裝有相同外徑的帶外圈的軸承和無(wú)外圈的齒輪復(fù)合軸承壽命計(jì)算來說明國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)的可靠性。

通過計(jì)算得出使用帶外圈的軸承時(shí)壽命Lh1=16288h，使用無(wú)外圈的齒輪復(fù)合軸承時(shí)壽命Lh2=28199h，顯然使用無(wú)外圈的齒輪復(fù)合軸承的壽命大于設(shè)計(jì)要求的20000h，可以大大提高國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)的使用壽命。

4.3 高壓力角齒輪設(shè)計(jì)

對(duì)于齒輪來說，如果壓力角小則基圓離分度圓則很近，因?yàn)榛鶊A以內(nèi)無(wú)漸開線，故齒根部的漸開線就短了，齒根厚度相對(duì)薄弱。如壓力角大則基圓離分度圓就遠(yuǎn)了，齒根部的漸開線長(zhǎng)了，齒根厚度增大了，故可以提高齒輪強(qiáng)度。標(biāo)準(zhǔn)的齒輪傳動(dòng)壓力角為20°，為了提高齒輪強(qiáng)度，同時(shí)也要兼顧齒輪的重合度及齒頂厚的要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)減速機(jī)選取27°高壓力角齒輪。以下分別對(duì)模數(shù)7、齒數(shù)為22的齒輪在壓力角為27°和20°齒根厚進(jìn)行計(jì)算。

齒根厚計(jì)算式如下：

通過計(jì)算得出壓力角為27°時(shí)Sft1=15壓力角為20°時(shí)Sft2=12.5，顯然壓力角為27°齒根厚較大，在強(qiáng)沖擊工況下，可以顯著提高齒輪壽命，提高減速箱強(qiáng)度。

4.4 非均布行星輪系結(jié)構(gòu)

均布結(jié)構(gòu)的行星齒輪傳動(dòng)應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛了，但是在一些結(jié)構(gòu)緊湊、安裝空間狹小、功率密度高的場(chǎng)合，非均布行星輪系結(jié)構(gòu)有著特有的優(yōu)點(diǎn)，成為一種不可忽略的結(jié)構(gòu)。非均布行星輪結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)：在同樣的空間內(nèi)，非均布結(jié)構(gòu)能布置比均布結(jié)構(gòu)更多的齒數(shù)行星輪，從而提高齒輪傳動(dòng)的承載力；齒輪齒數(shù)的選擇不受限制，在任意的齒輪情況下都能滿足裝配要求。同時(shí)行星輪以組為單位均布，行星輪系的作用合力為零，質(zhì)量偏心距為零，可以部分抵消行星輪對(duì)行星架的作用力。

4.5 減速箱內(nèi)部設(shè)置冷卻水腔增強(qiáng)散熱能力

一般行星齒輪減速機(jī)散熱是通過箱體表面自然散熱，但是主驅(qū)減速箱的使用環(huán)境比較惡劣，依靠箱體表面散熱降低齒輪箱的使用溫度效果不明顯。為此，優(yōu)化設(shè)計(jì)的減速箱在靠近發(fā)熱量較大的一級(jí)行星部件處設(shè)置冷卻水腔，通過循環(huán)的冷卻水帶走一部分熱量來增強(qiáng)齒輪箱的散熱能力。

箱體表面自然散熱排出的最大熱功率計(jì)算式如下：

式中h為系數(shù)；S為散熱面積；θy為最高油溫；θ0為環(huán)境溫度。

帶內(nèi)置冷卻水腔裝置排出的最大熱功率計(jì)算式如下：

式中h′為冷卻水腔傳熱系數(shù)；Sg為冷卻水腔散熱面積；θ1s為出水溫度；θ2s為進(jìn)水溫度。

經(jīng)計(jì)算，該減速箱通過箱體自然散熱排出的最大熱功率Q1=76 kW，帶內(nèi)置冷卻水腔排出的最大熱功率Q2=107 kW，顯然Q2大于Q1，可以顯著降低減速箱的表面溫度，提高減速箱使用的可靠性。

5 刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱可靠性設(shè)計(jì)

刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱由于安裝位置的限制，其體積不能太大，因此在保證減速箱可靠度的條件下，以體積最小為目標(biāo)進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。

以第三級(jí)行星輪系設(shè)計(jì)為例，詳盡介紹刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱的可靠性設(shè)計(jì)。為了簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)變量常取太陽(yáng)輪齒數(shù)Za、齒圈齒數(shù)Zb、行星輪齒數(shù)Zc、模數(shù) m、齒寬 b，則設(shè)計(jì)變量為

以減速箱體積最小為目標(biāo)，建立如下目標(biāo)函數(shù)：

優(yōu)化求解，通過分析共計(jì)有40個(gè)約束條件，5個(gè)設(shè)計(jì)變量，利用求解軟件的可靠性優(yōu)化模塊進(jìn)行優(yōu)化求解。可靠性設(shè)計(jì)與常規(guī)設(shè)計(jì)結(jié)果如表4。

表4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

利用可靠性設(shè)計(jì)，在滿足相同的約束條件及可靠性下，可靠性設(shè)計(jì)的減速箱，體積減小了17.7%。因此，通過可靠性設(shè)計(jì)后減速箱體積更小，更緊湊。

6 結(jié)束語(yǔ)

刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱的設(shè)計(jì)一定要使其符合盾構(gòu)機(jī)的工況特點(diǎn)，無(wú)論是材料的選擇，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，都要滿足使用要求。通過特殊的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)，可以極大縮短產(chǎn)品的供應(yīng)周期，降低成本，促進(jìn)盾構(gòu)施工進(jìn)度，對(duì)提升我國(guó)盾構(gòu)施工技術(shù)水平有著重大意義。國(guó)產(chǎn)自主研發(fā)的刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱已經(jīng)裝備到一些盾構(gòu)機(jī)的主機(jī)上使用，通過實(shí)際使用和檢測(cè)結(jié)果對(duì)比，已經(jīng)完全可以替代進(jìn)口產(chǎn)品，各方面的性能指標(biāo)完全達(dá)到進(jìn)口品牌的技術(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)刀盤驅(qū)動(dòng)減速箱的國(guó)產(chǎn)化。