盾構管片拼裝機平移機構滾輪軸承

焦陽，周琳，張彥合

(洛陽LYC軸承有限公司 技術中心，河南 洛陽 471039)

管片拼裝機是盾構設備的重要組成部分，安裝在尾盾，是進行隧道管壁混凝土片拼裝、襯砌作業的專用裝置。其主要功能是隨著盾構設備的不斷掘進，平穩、快速、準確地將預制的隧道管壁混凝土片按要求拼裝于開挖出的隧道內壁四周[1]，形成襯砌，用以支護剛開挖出的隧道表面，其拼裝質量直接影響著地下水的滲透和地表沉降。管片拼裝機平移機構負責實現管壁混凝土片在隧道掘進方向的前進和后退動作，要求其轉動靈活、運行穩定、引導精確。

1 安裝位置

如圖1所示，2個沿盾構軸向且平行地固定在盾構機殼體上的懸臂梁之間裝設有中間橫梁，中間橫梁兩端分別與左右2個懸臂梁固接以增加結構的剛度[2]。安裝在固定盤體上的交叉滾輪軸承作為平移機構的支承，在懸臂梁的上、下表面滾動，同時與軌道的側面相接觸。滾輪軸承一方面支持平移機構在軌道上沿掘進方向移動；另一方面作為導向，控制平移機構在兩側面導軌上的移動，從而實現管片拼裝機沿盾構前進方向的平移和導向。

1—管片配重；2—提升油缸；3—交叉滾輪軸承；4—中間橫梁；5—管片轉動油缸；6—管片傾斜油缸；7—中心球關節軸承；8—轉動平臺；9—提升橫梁；10—導向內套；11—導向外套圖1 管片拼裝機結構示意圖

2 結構

平移機構滾輪軸承在工作時既要承受機構的重量和沖擊，同時又要給予機構沿掘進方向移動時的引導，即軸承需同時承受2個方向的載荷并在2個方向實現轉動。該軸承為由兩軸線相交成90°的大、小滾輪軸承組成的交叉滾輪軸承(圖2)。大滾輪軸承安裝于軸座的圓柱面上，主要用來承受平移機構的重量和沖擊載荷，為雙列滿裝圓柱滾子滾輪軸承。小滾輪軸承位于軸座內的U形槽內，其外組件安裝于穿插在軸座上的芯軸上，用于實現平移機構兩側的引導，為四列滿裝圓柱滾子滾輪軸承。同時為了便于安裝，將安裝凸緣與軸座設計為一體，最終形成一種自帶安裝凸緣的交叉滾輪軸承。

1—大滾輪軸承外圈；2—大滾輪軸承滾子；3—大滾輪軸承內圈；4—螺釘；5—小滾輪軸承擋圈；6—小滾輪軸承外圈；7—小滾輪軸承滾子；8—擋蓋；9—芯軸；10—O形密封圈；11—軸座圖2 平移機構滾輪軸承的總體結構示意圖

大滾輪軸承的設計與一般軸承不同，它在工作過程中外圈只在1個或2個角位置受力，除了發生與常規軸承相同的接觸變形外，還存在著外圈(甚至整個軸承)的彎曲變形。軸承受力時，軸承內部會由于外圈的彎曲變形而引起載荷分布發生變化，使其承載能力降低。因此在保證基本額定載荷的前提下，使軸承獲得最大抗彎曲變形能力，即取得最厚的外圈壁厚是滾輪軸承設計的一個重要特點。起引導作用的小滾輪軸承受力較小，以保證引導精度為設計要點。

整個軸承通過軸座上的凸緣安裝于盾構管片拼裝機的平移機構上。軸座上的凸緣開有若干沉孔及螺紋孔以便對軸承進行安裝與定位。軸座的安裝面上挖有一圓形槽，一方面減輕了軸承重量；另一方面減小了安裝面的加工面積，降低了加工難度，如圖3所示。軸座上的圓柱面與大滾輪軸承內圈相配合，該圓柱面上還有2個用于穿插芯軸的圓柱孔；軸座的另一端面開有螺釘孔，用于連接擋蓋。

圖3 平移機構滾輪軸承軸座結構示意圖

芯軸穿插于軸座上，與小滾輪軸承外組件配合。芯軸兩端為圓弧形，其曲率半徑與軸座圓柱面曲率半徑一致，以便與大滾輪軸承內圈配合安裝。芯軸兩圓弧端面上沿圓弧方向加工有油槽以方便軸座圓弧形槽中潤滑油的通過；并且其內部有與外部圓弧端面油槽相連的油孔，以保證潤滑油順利進入小滾輪軸承內部。芯軸的結構如圖4所示。

圖4 平移機構滾輪軸承芯軸結構示意圖

目前國外盾構機平移機構上廣泛使用的軸承的安裝凸緣和軸座是分離的，同時軸承的導向是通過安裝在軸座上的一個回轉圓柱體在懸臂梁側面上的運動來完成的。但這種軸承結構存在著以下缺點：(1)安裝時需要將軸座整體焊接在一個安裝凸緣上，安裝困難，拆卸也很不方便；(2)導向的圓柱體的工作面加工比較困難，精度較差，摩擦阻力較大，運動不夠平穩，引導的精度也受到影響。

3 潤滑與密封

軸座端面圓形槽內有2個沉頭螺紋孔用以安裝為軸承注油的油杯，螺紋孔底開有通向圓柱面上圓弧槽的油孔。注入圓弧槽中的油一方面通過大滾輪軸承內圈上的油孔進入大滾輪軸承內部為其潤滑，另一方面通過芯軸上的油孔進入小滾輪軸承內部為其潤滑。

如圖5所示，大滾輪軸承內圈擋邊外徑面及擋蓋外徑面上均加工有槽，槽內安裝O形密封圈。O形密封圈與大滾輪軸承外圈擋邊接觸，形成接觸式密封，從而防止潤滑油流出。擋圈通過螺釘連接在軸座上，充當大滾輪軸承擋邊，防止大滾輪軸承從軸座上脫落。

圖5 平移機構滾輪軸承擋蓋結構示意圖

小滾輪軸承擋圈為階梯形薄壁結構。一方面其與小滾輪軸承外圈階梯形擋邊形成迷宮密封，防止小滾輪軸承中的潤滑油流出；另一方面它位于軸座與小滾輪軸承之間，為小滾輪軸承進行定位，減小其竄動，從而保證管片拼裝機的運動平穩、精確。

4 結論

(1)盾構管片拼裝機平移機構滾輪軸承將安裝凸緣和軸座做成一體，克服了目前國外該類型軸承需焊接安裝的缺點，實現了軸承的重復拆卸與安裝，結構也更加合理、緊湊，提高了整體強度。

(2)該軸承在芯軸上安裝小滾輪軸承對平移機構兩側進行導向，降低了摩擦力矩，提高了自身的回轉靈活性和引導精度。

(3)設計了一種新穎的油孔布置方式，可同時為大、小滾輪軸承提供潤滑，提高了軸承的可靠性和可維護性。