盾構主驅動減速機失效原因分析

常孔磊，趙新合，李大偉

(中鐵隧道集團有限公司專用設備中心，河南 洛陽 471009)

盾構主驅動減速機失效原因分析

常孔磊，趙新合，李大偉

(中鐵隧道集團有限公司專用設備中心，河南 洛陽 471009)

為解決盾構法施工中盾構主驅動減速機失效問題，以北京市海淀區500 kV電力隧道工程為依托，結合以往盾構主驅動減速機修復經驗，從主電機同步性、故障減速機解體、保險軸斷裂及掘進參數等方面進行研究。得到盾構主驅動減速機失效的原因有: 1)掘進參數不合理；2)二、三級減速機構滾動軸承失效。可為今后盾構法施工及減速機故障處理提供良好的決策依據。

盾構；主驅動減速機；失效；原因分析

0 引言

盾構法以其自動化程度高、勞動強度低、速度快、隱蔽性能好及對環境擾動小等優點，在城市地下空間開發領域中得到了廣泛的應用。行星齒輪減速機作為驅動盾構刀盤旋轉的關鍵部件，其輸入端與變頻電機相連,輸出端與主軸承內齒圈相嚙合,不僅要傳遞動力,還要承受沖擊載荷。盾構在掘進過程中，刀盤因推進產生的軸向力可以由承壓隔板進行平衡，因旋轉所受摩擦扭矩產生的徑向力將會通過主軸承傳遞到減速機上，減速機將接受各種工況下扭矩的沖擊，特別在地質突變和緊急制動的情況下，沖擊特別明顯，這就有可能造成減速機失效，從而導致停機。

國外盾構法施工比較成熟，主驅動減速機故障處理多以預防為主，施工過程中注重運轉監測。伴隨著地下空間開發利用步伐的不斷加快，國內盾構保有量激增，而設備操作保養人員相對不足、運轉監測工作滯后，近期多次出現盾構尚沒有達到大修期，而主驅動減速機卻異常損壞的情況，故在盾構施工中對主驅動減速機的維護保養及故障處理應引起高度的重視。熊晨君等[1]、楊明金[2]分別以海瑞克和NFM盾構為例對主驅動減速機的故障及處理進行了研究；雷亞國等[3]對行星齒輪減速機故障診斷進行了研究；田華軍等[4]、羅春虎[5]對主驅動減速機保險軸的斷裂進行了研究；劉珍來[6]、陳亮等[7]對主驅動減速機的動力學特性進行了研究。但這些研究很少有針對主驅動減速機異常損壞原因進行深入分析的。本文結合北京市海淀區500 kV電力隧道3標段盾構減速機損壞案例，針對減速機損壞造成停機這一現象，重點對減速機的損壞原因進行分析。

1 工程與設備概況

1.1 工程概況

北京市海淀區500 kV電纜隧道第3標段，始于三府路東側，沿永定河引水渠北岸向東至石河村路與八大處路中間。施工里程為0+000～1+1 980.125 m，全長1 980.125 m。隧道主要穿越地層為細砂層、卵石層、碎石混黏土層，絕大部分為卵石層，標段西部地層為碎石混黏土層，卵石層直徑一般為60～80 mm，最大直徑為100 mm，碎石混黏土層含強風化碎石，碎石呈棱角狀，直徑一般為20～40 mm，最大直徑為100 mm。施工時，受卵石層的影響，不均勻載荷通過主驅動大齒圈傳遞給減速機，對減速機沖擊較大。

1.2 設備概況

中鐵3號盾構系國內自主設計制造的土壓平衡盾構，開挖直徑為6 280 mm，最大推進速度為 80 mm/min。主驅動采用6個變頻電機沿圓周方向布置，主驅動減速機采用意大利原裝進口戴納米克三級行星齒輪減速機，雙向變頻驅動，連續輸出功率為102 kW，連續輸出扭矩為92.5 kN·m，減速比為1∶124.74。驅動小齒輪與減速機之間通過保險軸連接，在受到異常載荷沖擊時可以保護主電機和減速機。

2 故障現象

2013年4月5日盾構正常掘進至528環時，突然出現刀盤扭矩大幅度的波動，6號主電機接近滿負荷工作，隨后出現6號主電機跳停。這種情況下判斷減速機可能已經損壞，停機對6號減速機解體檢查。解體時發現減速機整體損壞嚴重，特別是第三級減速機構的太陽齒、行星齒、內齒圈和行星齒輪軸。損壞部件如圖1所示。

3 減速機損壞原因分析

根據主驅動減速機構的工作原理并結合故障的實際情況進行分析，導致主驅動減速機損壞的原因應從以下方面進行分析。

3.1 主電機同步性分析

分析電力隧道項目，有可能由于在調試過程中，變頻器對電機的控制不同步，造成電機之間存在內部受力不均勻，以致電機的轉矩上下波動。雖然沒有達到減速機損壞的程度，但是因為高頻的轉矩波動，造成了減速機的疲勞損壞。中鐵3號盾構在始發前進行了全面調試，因電機不同步造成減速機損壞的可能性比較小。為了驗證這一分析，對變頻器參數進行了復核，復核結果沒有異常，排除了因電機不同步造成減速機損壞的可能性。

3.2 減速機解體分析

軸承的失效按其損傷機制可以分為接觸疲勞失效、磨損失效、斷裂失效、塑性變形失效、腐蝕失效和游隙變化失效等幾種基本形式。根據解體情況發現軸承的失效形式為斷裂失效，由于刀盤扭矩增加，減速機負荷變大，減速機內部的軸承特別是傳遞扭矩較大的二、三級減速機構內部的滾動軸承載荷超過軸承零件材料強度極限,造成軸承零件斷裂。

(a) 太陽齒

(b) 行星齒

(c) 內齒圈

(d) 行星齒輪軸

齒輪在使用過程中的主要損壞形式有磨損失效、表面疲勞失效、塑性變形失效及斷齒失效。根據拆解情況發現本減速機內部齒輪的損壞形式主要為斷齒失效。斷齒失效是因短時過載或沖擊載荷而產生的折斷，齒面較小的太陽輪發生全齒折斷，輪轂較薄的行星輪發生開裂。

結合卓輪及三井三池減速機的維修經驗，減速機損壞可能是由于二、三級減速機構行星輪中的滾動軸承受到沖擊，支撐架變形、斷裂，滾動體進入齒輪嚙合區，造成齒輪的斷齒，減速機卡死，是此次減速機損壞的主要原因。

3.3 保險軸斷裂分析

保險軸的設計要求是: 一方面，當載荷達到設計要求時及時斷裂，起保護作用；另一方面，在設計壽命周期內不能發生疲勞損壞。而在本項目中減速機損壞時保險軸斷裂卻沒有起到過載保護作用，有必要對保險軸的設計強度進行校核。

查閱盾構的設計資料可知,保險軸的材料為42CrMo4，其彈性模量為2.06×1011Pa,泊松比為0.3。保險軸的材料的性能及其幾何參數如表1和表2所示。保險軸結構圖如圖2所示。

表1 42CrMo4材料性能參數Table 1 Parameters of Material-42CrMo4

表2 保險軸幾何參數Table 2 Geometric parameters of safety axis

圖2 保險軸結構圖(單位: mm)

由圖2可知，其最大剪應力發生在扭剪槽的位置，根據計算公式，剪應力

τ=Mmax/W。

(1)

保險軸理論設計扭矩

Mmax=τ×W=τ×πd3/16=563×106×3.14×0.143/16=303.18 kN·m。

(2)

根據材料力學知識，應考慮形狀因素、尺寸效應及表面加工質量對保險軸強度的影響，結合保險軸的相關參數，此處取應力集中系數k=1.55，尺寸系數ε=0.71，表面加工影響系數β=1.617。

則保險軸實際設計扭矩

ML=ε×β/k×Mmax=0.71×1.617/1.55×303.181=224 kN·m。

(3)

為保證盾構脫困時保險軸不斷裂，保險軸實際可承載扭矩為盾構脫困時承載扭矩的1.2倍。查資料得盾構的脫困扭矩為6 840 kN·m，則單個保險軸應傳遞的扭矩

Ms=MT/n×i×k=6 840/6×15/105×1.2=195.4 kN·m。

(4)

式中:n=6為保險軸個數；i=15/105為小齒輪與主軸承齒圈減速比;k為保險軸的安全系數。

根據計算結果，可知保險軸實際承載扭矩與設計扭矩相當，根據保險軸的脆性斷裂現象，可推斷是由于減速機先損壞卡死，造成保險軸在主軸承的帶動作用下發生脆性斷裂所致。

3.4 掘進參數分析

減速機損壞前一日(4月5日)和減速機損壞當日(4月6日)的掘進參數對比分析如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可知，4月5日14時19分6號減速機扭矩開始大幅度波動，同一時段刀盤扭矩也在0～6 000 kN·m波動，直至4月6日10時20分減速箱徹底損壞。4月5日—6日6號減速機最大扭矩為103.4 kN·m，超過額定扭矩92.5 kN·m的11.78%，超過額定扭矩時間共約5.5 min。因此，有必要對當前地層刀盤扭矩進行核算[8]。

圖3 2013年4月5日與6日6號變頻器輸出扭矩對比圖

圖4 2013年4月5日與6日刀盤輸出扭矩對比圖

施工過程中，盾構刀盤對土體進行切削，刀盤扭矩主要克服刀盤與土體之間的摩擦阻力扭矩、切削土體時的地層抗力扭矩、攪拌土體的攪拌扭矩及刀具受到的摩擦阻力扭矩等，它們之間的關系式為

T=πd3/12×fpp(1-ξ)+πd3/4×fγ′HB(1+k0)+[p0tan2(π/4+φ/2)+2ctan (π/4+φ/2)]D2/8×v/ω+

(5)

式中:d為刀盤直徑;f為鋼板與土體的摩擦系數；pp為被動失穩極限支護力；ξ為刀盤開口率；γ′為土體有效重度；H為盾構軸線埋深；B為刀盤的寬度；k0為靜止土壓力系數；p0為土層的初始側向土壓力；φ為刀盤前方土體內摩擦角;c為刀盤前方土體黏聚力;v為盾構掘進速度;ω為刀盤轉速；H0為攪拌葉片覆土深度;Db為攪拌葉片直徑;Lb為攪拌葉片長度;Rb為攪拌葉片到刀盤中心距離。

將盾構目前所處地層的土層參數[9-12](如表3所示)及盾構相關參數(如表4所示)代入式(1)中，可計算出在當前地層中掘進刀盤所需要的理論扭矩

T=1 724+1 259+207+3.12=3 193.1 kN·m。

表3 盾構當前所處地層參數表Table 3 Parameters of ground where shield is boring

表4 盾構相關參數表Table 4 Parameters of shield

將此理論值與減速機損壞前的實際值對比，進一步驗證了前面的分析，減速機長時間受到異常載荷的沖擊，造成其內部二、三級機構比較薄弱的行星輪軸承的損壞；由于運轉監測不夠，引起整個減速機的嚴重損壞。

4 解決措施

4.1 加強油水檢測

對減速箱齒輪油周期性檢測，可以在減速箱發生點蝕過程中及時發現有少量金屬掉落，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，可以避免更嚴重事故的發生。

4.2 加強振動監測

減速箱行星齒輪點蝕嚴重或齒輪箱內雜質超標時，齒輪嚙合時振動較大，可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，對減速箱進行故障處理可以避免事故的蔓延。

4.3 合理調整掘進參數

加強對盾構掘進前方地質情況的勘探，針對不同地層選用不同的掘進參數。為避免因地層突變對減速機造成沖擊，結合盾構刀盤額定扭矩，在程序中對電氣保護進行設置，刀盤扭矩達到額定扭矩5 520 kN·m的90%時(即4 968 kN·m)推進調停，達到額定扭矩時刀盤調停。

5 結論與討論

1)作為盾構的關鍵主傳動部件，行星齒輪減速機具有功率密度高、扭矩大、體積小及可靠性要求高等復雜技術要求，且由于減速機系統特殊的變載荷使用工況及地下施工等使用環境，一旦在施工中發生故障，將會造成不可估量的損失。

2)通過分析得到減速機失效的原因為: 掘進參數不合理；二、三級減速機構滾動軸承失效。因此，施工過程中應加強對主驅動減速機的狀態監控，特別在通過大粒徑的漂石或孤石地段，應先對開挖面前方20 m進行超聲波障礙物探測，及時查出大塊漂石等障礙物，對障礙物進行破除。合理地調整掘進參數，防止因刀盤扭矩異常引起減速機的損壞。

隨著國內保有盾構掘進里程的不斷增加，對減速機備件的需求將會激增，而進口行星齒輪減速機價格昂貴，供貨周期長，難以滿足施工實際需求。如何設計制造小外形尺寸、大傳遞扭矩、滿足10 000 h壽命的行星齒輪減速機，是減速機國產化努力的一個方向。

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AnalysisonCausesforFailureofMainDriveReducerofShieldMachine

CHANG Konglei,ZHAO Xinhe,LI Dawei

(Tunneling-dedicatedEquipmentCenter,ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

In this paper,the causes for the failure of the main drive reducer of shield machines are studied in terms of synchronism of electric motor,disassembly of damaged reducer,break of safety axis and boring parameters of shield machine,with the shield machine for the 500 kV power tunnel in Haidian District in Beijing as an example.The main causes for the failure of the main drive reducer of the shield machine are as follows: 1) Irrational boring parameters;2) Failure of rolling bearing of the 2nd grade and the tertiary reducers.The paper can provide reference for shield boring and reducer failure treatment in the future.

shield;main drive reducer;failure;cause analysis

2013-10-24；

2013-12-19

常孔磊(1985—)，男，河南南陽人，2009年畢業于鄭州輕工業學院，機械專業，本科，助理工程師，主要從事盾構和TBM及大型專用設備的技術管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.02.015

U 45

A

1672-741X(2014)02-0173-05