盾構機主減速箱損壞原因分析及預防措施

熊晨君，蔡駿

（中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450001）

1 引言

盾構法是一種高效安全的暗挖隧道施工技術，土壓平衡盾構機是盾構法掘進施工中的關鍵裝備，其主要結構為：刀盤主驅動系統及刀盤、推進系統、控制系統等。其刀盤驅動系統在掘進施工中起著驅動刀盤切割巖土的作用，主減速箱是刀盤系統的核心結構部件，為功率密度非常高的行星齒輪傳統結構，長期作用于盾構機的高扭矩下極易使主減速箱失效。且主減速箱多級行星齒輪的耦合振動會加速其疲勞失效，因此分析盾構機主減速箱的損壞原因及預防措施具有重要的工程意義。

2 刀盤主驅動減速箱工作原理

刀盤驅動系統包括液壓馬達、主減速器、小齒輪/大齒圈減速單元。本文以S179 盾構機為研究對象，其總長度約75m，刀盤的直徑為6.28m，配置的總功率為1520kW，刀盤扭矩的最大值為5300kN·m，推進力的最大值為30100kN，掘進速度的最大值為0.08m/min。

盾構機主驅動系統是刀盤旋轉并切削掌子面土層的動力傳遞機構。它包括液壓馬達或變頻電機、主減速器、小齒輪/大齒圈減速單元。主驅動系統主要被用來驅動刀盤旋轉并切削土層，其主要結構為液壓馬達或者變頻電機和主減速器等結構，其共有8 組傳動副，但是只有一組傳動副是含有制動裝置的傳動副，刀盤通過螺栓連接固定在前承壓隔板中的法蘭上，可以逆時針或者順時針實現0～6r/min的旋轉。

圖1 盾構機主結構圖

圖2 刀盤傳動示意圖

3 主驅動減速箱傳動特點

主減速器是盾構機的核心組成部分之一，為了使刀盤可以穩定地在低轉速和大扭矩下工作，其一般的結構形式為行星齒輪結構，因此主減速器結構復雜，功率密度高。

主減速箱由三級行星減速裝置組合形成，每一級之間通過螺栓連接，由太陽輪傳遞動力。每一級都是一個單獨的行星減速機構，由太陽輪、齒圈、行星架及行星齒輪組成。太陽輪與行星齒輪內嚙合，它們的轉動方向相反，行星齒輪與齒圈內嚙合，它們的轉動方向相同。

S179的主驅動減速箱采用三級行星齒輪傳動，如圖3所示。

圖3 減速箱主體結構

4 主驅動減速箱拆解分析

4.1 主減速箱的拆解

8臺減速箱的相對位置如圖4所示，通過對8臺減速箱的解體，發現8臺減速箱內部存在不同程度的損壞，其中1#、2#、6#、7# 減速箱損毀嚴重，已經不能傳動輸出；其余4臺減速箱外表觀無異常，內部同樣存在質量問題，詳述如下：

（1）1#：三級減速機構嚴重破損（見圖5），行星齒輪架嚴重撕裂，行星輪碎裂，行星輪軸斷裂；二級減速機構殼體表面色澤變化明顯，內部結構表面附著污濁油泥；行星輪內部滾動軸承破裂；

（2）2#：三級減速機構花鍵軸套撕裂；內部行星輪碎裂；行星輪軸斷裂2 根，行星輪內部滾動軸承破裂，滾動體散落；行星輪架撕裂；二級減速機構齒面局部破損；殼體內存在金屬碎塊，行星輪內軸承磨損劇烈，軸向定位較差。

圖4 8臺減速箱的相對位置圖

圖5 損壞嚴重的三級傳動機構

圖6 損壞嚴重的二級傳動機構

（3）3#：輸出花鍵軸撕裂；殼體內部潤滑油較少，呈半固化狀態，夾雜較多金屬顆粒；三級減速機構行星齒輪架撕裂；

（4）4#：外觀無明顯異常；二級減速機構小齒輪局部齒面色差變化較大；

（5）5#：2級減速處有1 行星齒輪軸表面有金屬撕裂剝落。軸承滾子旋轉滯澀，估計軸承外圈內表面可能已損壞。中心軸齒輪齒廓有大塊刮傷、壓痕。

（6）6#：殼體內部油污金屬顆粒較多；二級減速機構輸出軸齒形損傷較大（見圖6），該處軸承撕裂；三級減速機構傳動軸齒形嚴重損傷；行星輪架及行星輪嚴重破損；

（7）7#：二級減速機構處齒輪軸有大塊金屬剝落及表面壓痕；行星齒輪軸承滾動體多處有接觸面剝落、壓痕及刮傷。三級減速行星齒輪軸有大塊金屬剝落及壓傷（3個軸），有1 行星齒輪軸承內部一滾子即將斷裂為兩瓣，另有2個軸承內部滾子有大塊刮壓剝落痕跡。三級減速部位齒輪圈有大量壓痕。

圖7 充滿鐵屑的一級傳動機構

（8）8#：3級減速機構有3 根齒輪軸表面有大塊金屬碎片剝落。

4.2 主驅動減速箱的拆解

圖8 損壞的主軸承小齒輪

主驅動減速箱外觀完好，緊固螺栓齊備，小齒輪以圓板覆蓋，可見銹蝕與油污。主驅動小齒輪表面存在大量壓痕、刮痕，小軸承內、外積聚大量夾雜金屬顆粒的黑色油污，有4個小軸承的花鍵軸牙型嚴重損傷（見圖8）。主驅動齒輪箱內存有大量污濁粘稠齒輪油，手觸有顆粒感。小齒輪后側軸承壓環內環面存在明顯刮痕。因鐵屑進入主軸承內部，造成主推滾子及滾道、徑向滾子及滾子表面存在大量的點狀壓痕。主軸承環件軟帶部位刮擦痕跡較重，存在剝落風險（見圖9）。

圖9 被刮傷的主軸承環件

5 主驅動減速箱損壞原因及分析

齒輪在使用過程中的主要損壞形式有：斷齒、疲勞點蝕、剝落和齒面磨損，在重載齒輪中齒面疲勞是主要的損壞形式，其一般采用的表征形式為齒面點蝕和剝落。主要原因是交變接觸應力的作用。

齒輪疲勞的損壞特征是點狀麻點、凹坑出現在齒輪節圓附近，按照損壞程度的不同一般分為三種類型：初始點蝕、破壞性點蝕、表面剝落。初始點蝕是非擴展行的，一般不會對齒輪構成破壞；而破壞性點蝕和表面剝落會擴大剝落區域，破壞齒面，加劇齒輪的不平穩傳動，當傳動系統的不平穩性到達一定程度后，輪齒可能折斷，從而可能造成整個傳動系統的癱瘓等災難性后果。

通過解體主驅動減速箱，得出減速箱損壞剝落的塊狀金屬導致了主軸承的損傷。在損壞最輕的8#減速箱里發現其三級減速機構里面有少量鐵屑，而其行星齒輪及齒圈表面出現有麻坑、點蝕現象。另外在其他減速箱內，清除金屬碎片及軸承等雜物。在齒輪、齒圈的表面都有不同程度的麻坑。結合該批減速箱使用時間較長（約12 年），初步判斷為重載齒輪齒面疲勞損壞及磨損損壞，起初是點蝕，然后齒面剝落；在繼續承受重載的情況下，導致齒輪斷裂，整個行星齒輪箱卡死，最后整個減速箱徹底報廢，而碎裂的金屬塊掉入主軸承內，造成主軸承的損壞。

6 主驅動減速箱狀態檢測

土壓平衡盾構機的工作環境惡劣，空間封閉狹小，更換零部件和維護設備困難，因此其主減速器具有體積小、可靠性高等特點；由于工作對象為成分不均的圖層，刀盤在工作時會受到強交變載荷的作用，所以具備耐沖擊性能也是其主要設計要求。

由于工況的復雜性，主驅動減速箱齒輪出現麻坑、點蝕等疲勞損壞是不可避免的，只是時間的問題；而狀態檢測屬于主動維修，可以在故障初期以最小的代價換取整個設備的長壽命高可靠性的工作，這對于盾構機這樣停機損失巨大的設備尤為重要。

（1）油水檢測

對減速箱齒輪油的及時檢測，可以在減速箱發生點蝕過程中，有少量金屬掉落時及時發現，并及時對該減速箱進行齒輪油的更換。在減速箱的進一步損壞之前提前拆除更換，避免了更嚴重事故的發生。S261 盾構機的1#減速箱在長沙地鐵掘進過程中就通過油水檢測發現有大量鐵屑，進而對該減速箱進行拆卸、分解，發現有大量點蝕出現。隨后對減速箱進行了更換，恢復了盾構掘進。

（2）聲音及振動檢測

減速箱行星齒輪點蝕嚴重時，齒輪嚙合時振動較大，可以通過振動檢測儀進行判斷。同時，在齒輪表面剝落、斷裂時，減速箱因為不能正常工作，也會產生異響。此時，減速箱的損壞還沒有影響到主軸承，對減速箱進行拆卸更換也可以避免事故的蔓延。

（3）溫度觀察

在減速箱損壞后期，減速箱內齒輪卡死后，在液壓馬達主動驅動的和小齒被動驅動的雙重作用下，減速箱發生更嚴重的齒輪斷裂、行星架斷裂情況。此時，聲音及振動加劇，并且在摩擦過程中產生大量的熱量，通過對減速箱外溫度的觀測可以確定減速箱損壞。此外，當減速箱失效后，因液壓馬達沒有驅動力作用在主軸承上，主驅動油管溫度也會比其他正常的油管溫度要低。

7 結論

（1）因為作用于減速箱的強交變載荷會改變其疲勞特性，所以主驅動減速箱出現麻坑、點蝕等疲勞損壞是不可避免的。

（2）本文提出的對主減速箱的狀態檢測措施可以在主驅動減速箱損壞前期對其進行檢測，從而使主驅動減速箱的可檢測性稱為可能，進一步延長了其使用壽命，最終保證了主驅動系統工作時的可靠性。

［1］肖正明，秦大同，武文輝，等.盾構機主減速器三級行星傳動系統扭轉動力學［J］.中國機械工程，2010，21（18）：2176-2182.

［2］魯志軍.海瑞克土壓平衡式盾構機分析[C]//中國土木工程學會隧道及地下工程學會地下鐵道專業委員會第十五屆學術交流會.成都：西南交通大學出版社，2003：567-572.

［3］李潤方，王建軍.齒輪系統動力學［M］.北京：科學出版社，1997.

［4］王世宇，張策，宋軼民，等.行星傳動固有特性分析［J］.中國機械工程，2005，16（16）：1461-1465.