盾構主驅動減速機國產化開發研究

劉金祥，陳 饋，孫尚貞，馮歡歡

(1.中鐵隧道集團公司專用設備中心，河南 洛陽 471009；2.盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001；3.蚌埠市行星工程機械有限公司，安徽 蚌埠 233010)

盾構主驅動減速機國產化開發研究

劉金祥1,2，陳 饋2，孫尚貞3，馮歡歡2

(1.中鐵隧道集團公司專用設備中心，河南 洛陽 471009；2.盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001；3.蚌埠市行星工程機械有限公司，安徽 蚌埠 233010)

基于國內外減速機發展概況及盾構主驅動減速機國產化研究的現狀，提出盾構主驅動減速機國產化不僅是我國盾構行業發展的迫切需要，同時具備一定的國產化條件。在對LOVAT 246盾構主驅動減速機前期使用過程中出現的故障現象進行統計分析的基礎上，針對所出現故障的特殊性，從材料選用、齒輪模數與尺寸、軸承優化選型等方面進行國產化研究。經過現場試用后，其樣機性能完全滿足盾構正常掘進需求。盾構主驅動減速機國產化開發研究，對提升我國盾構技術水平有著重大意義。

盾構；主驅動減速機；國產化；優化設計

0 引言

減速機在機械行業有著廣泛的應用，是一種不可缺少的機械傳動裝置。國外以德國、丹麥和日本處于領先地位，特別在材料和制造工藝方面占據優勢，其減速機工作可靠性好，使用壽命長。國內自20世紀60年代開始研究和生產減速機以來，已經取得了較多的研究成果，逐步實現了多種減速機的國產化，如：斗輪取料機用減速機[1]、單邊雙傳動磨機減速機[2]、寶鋼煉鐵廠送料圓盤行星齒輪減速機[3]、782-C-250型攪拌減速機[4]等。隨著我國地下工程建設事業的迅速發展，盾構作為主要施工裝備也得到了越來越廣泛的應用。減速機作為盾構主驅動系統的關鍵部件，具有比強度、比功率極高的特點，長期依賴進口，但因某些進口減速機存在設計缺陷或材料不達標而嚴重影響項目施工進度與施工安全或與所用盾構系統不匹配的現象時有發生。為了逐步突破技術瓶頸，國內在盾構減速機設計理論和技術方面一直進行著不斷的嘗試。陳器等[5]基于有限元分析軟件ANSYS對盾構行星減速機行星架仿真分析的結果，進行了行星架的優化設計；肖正明等[6-7]對盾構行星減速機進行了仿真分析與動態性能測試，提出了對減速機振動烈度進行評價的方法，并對行星減速機箱體進行了模態分析與試驗研究；田華軍等[8]對盾構減速機與刀盤主軸承連接軸斷裂現象進行了分析；常孔磊等[9]對某盾構主驅動減速機失效原因進行了分析。

伴隨著我國機械加工水平和減速機技術理論的快速發展，進行盾構主驅動減速機國產化研究的條件日益成熟，同時也是我國盾構行業發展所需，本文以LOVAT 246盾構(即加拿大LOVAT公司生產的246號盾構)主驅動減速機為例，對進口減速機存在的問題從材料、結構、外形等方面進行優化設計，并對國產減速機在LOVAT 246盾構中的使用情況進行分析。

1 盾構減速機故障統計分析

1.1 LOVAT 246減速機前期使用概況

LOVAT 246于2012年11月14日全部下井組裝完成，12月21日于蘇坡立交站始發，2013年6月29日貫通，歷經6個月，掘進887 m，到達清江路口站，平均進度約為140 m/月，其中因減速機問題累計停機 56 d，掘進期間6臺主驅動減速機先后6次損壞，除4#減速機未進行更換，其余5臺減速機均拆用另一臺同類型盾構(LOVAT 251)減速機。由于掘進至20環時，發現6#減速機位置的新裝LOVAT 251減速機損壞，經檢查，其與大齒圈連接部位內部軸承座已損壞，后采用5臺減速機完成蘇坡立交站—清江路口站的掘進任務。LOVAT 246主驅動減速機分布如圖1所示。LOVAT 246減速機損壞更換情況統計如表1所示。

圖1 減速機分布示意圖(單位: mm)

表1 LOVAT 246減速機損壞統計表Table 1 Damage condition of reducers of LOVAT 246 shield

1.2 減速機故障現象描述

2013年5月，中鐵隧道集團成都項目部LOVAT 246盾構的刀盤驅動減速機出現了問題，造成整機無法掘進，成都項目部針對此種情況將減速機拆下，到蚌埠行星工程機械有限公司進行檢測維修。在未打開之前，通過人工對輸出大齒輪進行手工轉動，結果根本無法轉動；后對減速機進行拆解，發現減速機內部齒輪及軸承已經完全損壞。LOVAT 246盾構各減速機故障情況分析如下。

1)1#減速機損壞情況。①拆卸二級行星齒輪系統時出現齒輪油嚴重相溶互粘現象，使拆卸工作無法完成，后通過切割3個行星輪才拆開二級系統部分。單看二級齒圈已基本看不清齒數，基本已被剃平，且太陽輪齒部嚴重扭曲變形，行星輪齒也嚴重扭曲損壞(見圖2(a))；②二級架銷軸端面有被擠傷和撞擊傷痕，軸承已基本卡死(見圖2(b))；三級太陽輪齒部被完全剃平，只剩下一根軸，行星輪軸承全部散架，無一完整，軸承隔圈也幾乎看不清結構(見圖2(c))；行星輪銷軸損壞嚴重，齒圈只能大概看清齒數(見圖2(d))，三級架內部刮磨嚴重，已有一端已磨平，連接花鍵保存還算完整。

2)2#，3#，5#減速機損壞情況。①一級減速太陽輪齒面存在壓痕以及塑性變形(見圖3(a))；②部分齒面有少許的磨痕，需要重新打磨，修復點蝕與壓痕(見圖3(b))。

3)4#減速機損壞情況。①二級行星輪軸承轉動有異響，分離之后發現軸承外圈已經脫落(見圖4(a))；三級太陽輪齒面也有剝落，無法繼續使用(見圖4(b))，立軸齒面有一處已經脫落(見圖4(c))；三級行星架花鍵齒部被完全剃平(見圖4(d))，由此推斷行星架花鍵齒部可能強度不足，或減速機本身超負荷運行，最終導致花鍵齒被剃平。

(a)

(b)

(c)

(d)

4)6#減速機損壞情況。①二級行星系：太陽輪、行星輪、內齒圈(與一級共用)磨損嚴重，都有崩齒，并互相咬死；②三級行星系：太陽輪齒形全部磨損并掉光，行星輪的內齒圈磨損嚴重，且全部崩齒，大齒圈全部磨損，無法使用(見圖5)。

1.3 減速機故障原因分析

當LOVAT 246在成都密實卵石地層中掘進時，刀盤在不齊整的開挖面上受到頻繁的沖擊荷載作用，沖擊荷載的瞬時峰值大于減速機安全系數值導致減速機發生強度破壞。為避免頻繁脫扣導致無法施工的現象發生，扭矩限制器脫扣扭矩被調高了，但調高后又過濾不了荷載扭矩峰值，因此該機減速機的安全系數值對成都地層適應性不好。針對該減速機齒輪進行材質化驗，化驗結果為30CrMo。針對此材質進行強度計算，其安全系數達不到工況要求。

(a)

(b)

2 減速機優化設計

經過對LOVAT 246使用過的以及即將需要在設備上使用的減速機的拆檢情況進行分析，該進口減速機在成都地層使用存在安全系數(即過載系數)不足問題，可能是故障發生的主要原因。針對上述情況，中鐵隧道集團專用設備中心聯合其他減速機制造廠家對LOVAT 246的損壞減速機進行拆檢分析，并以原裝減速機為樣板，在基本不改變安裝尺寸和外形尺寸的前提下增加減速器的過載系數，新制一臺適應于成都地層的盾構主驅動減速機。

2.1 材料選用

通過對原裝減速機關鍵零部件材質進行化驗分析，樣機的太陽輪和行星輪材料性質類似于30CrMo，根據原裝減速機損壞程度初步判斷，主要是因為彎曲疲勞強度差而造成原裝減速機損壞。為了提高齒輪的接觸強度和彎曲強度，首先將關鍵零部件材料優化為20Cr2Ni4A，材料熱處理工藝參考日本、西德等國標準，并嚴格控制齒輪件的心部硬度。表2為材料性能對比情況。

(a)

(b)

(c)

(d)

通過表2材料性能對比，20Cr2Ni4A材料在抗拉強度上是30CrMo的1.6倍，屈服極限是其1.88倍，沖擊吸收功是其1.05倍，其性能顯著優于原減速機的設計材料。以上2種材料在計算過程中相關系數分別為：接觸強度安全系數取1.1，彎曲強度安全系數取1.4，使用壽命和使用工況完全相同。

(a)輸出立軸齒部明顯脫落

(b)花鍵齒部有剝落和擠壓形變

表2 減速機所用材料性能對比Table 2 Performance of reducer materials

為保險起見，對原裝減速機進行強度校核時，采用35CrMo相關參數進行計算。齒輪強度對比分析見表3。從表3可以看出，即使齒輪采用35CrMo制造，無論是接觸強度還是彎曲強度，均不能滿足最大瞬間峰值荷載。國產化設計中采用20Cr2Ni4A作為齒輪材料，其抗拉強度和屈服強度，分別是35CrMo的1.51倍和1.55倍，在正常掘進和脫困工況下國產化減速機齒輪的接觸強度和彎曲強度均小于允許值，即新設計減速機關鍵零件是完全滿足盾構減速機使用要求的。

2.2 齒輪模數與尺寸

在齒輪模數與尺寸設計方面，所采取的優化措施主要體現在以下方面：

1)增大模數。在保證原減速比、傳動強度和整體安裝尺寸不變的前提下，盡量增大齒輪的模數，以達到提高減速機的傳動接觸強度和彎曲強度的目的。一、二級齒輪模數由4.5改為5，三級齒輪模數由6.5改為7。

表3 齒輪強度對比分析Table 3 Comparative analysis of gear strength MPa

2)增加總體長度。為了給內部零件的加強預留足夠的空間，盡可能地增加齒輪件的傳動強度，因此，在不影響整體安裝尺寸的情況下增加了減速機的整體長度(加長62.5 mm)。

原樣機和國產減速機具體結構優化對比如表4所示。

表4原樣機和國產減速機具體結構優化對比
Table 4 Comparison and contrast between original reducer and localized reducer in terms of structure optimization

對比部位模數原樣機國產減速機有效長度原樣機國產減速機備注一級太陽輪4．554550行星輪4．554246行星架內齒4．552222 原一級行星架和行星輪軸采用分體結構，本廠設計為整體鍛造二級太陽輪4．557589行星輪4．557286行星架內花鍵445863 原二級行星架和行星輪軸采用分體結構，本廠設計為整體鍛造三級太陽輪6．57125167行星輪6．57125167行星架內花鍵5(Z=42)5(Z=48)8385 原三級行星輪軸徑65mm改為90mm，行星架整體加長20mm，輸出側加厚15mm，Z為齒數

注：原樣機輸出軸軸頸尺寸為220 mm，國產減速度輸出軸軸頸為260 mm；原樣機整機長度為1 292 mm，國產減速機整機長度為1 354.5 mm，加長62.5 mm。

2.3 外形優化設計

基于理論計算和優化分析結果，進行了國產化主驅動減速機的設計。新舊減速機外形對比如表5所示。

表5新舊減速機外形對比
Table 5 Comparison and contrast between original reducer and localized reducer in terms of appearance

機型一級太陽輪一級行星架齒圈三級太陽輪三級行星架原樣機國產減速機

注：1)原樣機和國產減速機一級太陽輪模數和有效長度均有變化。2)國產化設計方案中采用整體鍛件的方式，增加行星架的強度和運轉的穩定性；外形從圓形改為三角形，在保證強度的同時，減輕了重量。3)原樣機中的一、二級齒圈為一體式齒圈；國產化減速機為分部式齒圈。

2.4 軸承優化選型

對原軸承的損壞情況進行了選型優化設計，新制國產減速機除二級行星輪軸承、三級行星輪軸承采用NBI無外環軸承外，其余軸承均采用SKF的軸承。軸承參數對比如表6所示。

2.5 性能改進

除了上述材料、軸承等優化選型設計外，為進一步改善主驅動減速機性能，國產化方案中還采取了如下優化措施。

1)通過外加泵站，與減速機筒壁上的進油口和出油口構成循環油路，有效地處理了二、三級減速機構無法冷卻的問題。

2)在筒體上增加了放油孔(見圖6)，可以顯著改善三級減速機構無法徹底放油的現象。

3)從減速機拆檢情況可以發現，所有故障都起始于三級減速機構，最終引起二級減速機構損壞，故為了盡可能避免這種情況的發生，把花鍵套處設計為機械結構最薄弱環節。如若系統發生故障，首先損壞花鍵套，方便更換，有利于設備性能的恢復。

4)由于受到其外部尺寸的限制，可通過減少內部間隙與外壁的壁厚，來適應齒輪模數與尺寸的變化。

5)在減速機內部新增溫度傳感器，進而實現在主機室實時關注減速機齒輪油溫度的變化。圖7右側顯示為新制國產減速機的溫控情況。

表6 軸承參數對比Table 6 Comparison and contrast between original reducer and localized reducer in terms of bearing parameters

圖6 國產減速機結構示意圖

圖7 國產減速機溫控現場

3 國產減速機現場使用情況

LOVAT 246盾構經過過站期間的整修及減速機的拆檢修復，并在盾構上試用國產減速機，新制國產減速機于地面立裝完成后(見圖8)，于2013年9月15日投入使用，帶動刀盤空載運行20 h，無異常。盾構于9月17日始發，截至11月15日，成溫立交站—草堂路口站區間累計掘進382環，機況良好。

圖8 減速機安裝現場

本區間掘進過程中，項目切實加強了對該新制減速機及其余檢修減速機的監控，通過每天對6臺減速機(2#新制國產減速機尤為重要)的振動情況及溫度進行監測，并與之前數據進行對比分析，國產減速機振動及噪音比進口減速機略大，但隨著機器的逐漸磨合，最終趨于平穩。減速機加速度監測數據見表7。

在本區間掘進過程中，項目人員定期對減速機的油樣進行檢測。由于減速機為新制，存在一定的磨合期，其內部構件的摩擦導致在油樣的檢測中難免存在少量雜質等異常現象，經檢測發現有水分或雜質等超標現象并及時進行了更換。第1標段試用完畢后，即新制國產減速機運行382環后，該減速機發回蚌埠市行星工程機械有限公司進行雙方共同檢測，并對內部零件進行拆解評估。檢測結果顯示，內部齒輪、軸承及密封件均完好無損(見圖9)。

表7 減速機加速度監測數據Table 7 Monitoring data of accelerated speed of reducer m/s2

圖9 試用后的減速機

4 結論與論討

通過設計理念的改進以及材料的優化選型，可以有效地解決進口減速機拆檢過程中發現的種種問題，并從根本上杜絕此類現象的再次出現。盾構主驅動減速機自主研制，可以極大縮短產品供應周期，減少資金支出，促進施工進度，保證施工質量和安全，對提升我國盾構施工技術水平有著重大意義。通過實際使用和檢測參數對比結果，國產化減速機完全可以替代進口減速機，實現盾構減速機的國產化。但另一方面，與進口減速機相比，國產減速機仍然存在振動與噪音相對較大等問題。因此，從設計和加工工藝上降低國產化減速機振動與噪音，并增加不同工況下荷載試驗及測試是盾構主驅動減速機國產化的發展方向。

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StudyonLocalizationofMainDriveReducersofShield

LIU Jinxiang1,2,CHEN Kui2,SUN Shangzhen3,FENG Huanhuan2

(1.TunnelingDedicatedEquipmentCenterofChinaRailwayTunnelGroup，Luoyang471009，Henan，China;2.StateKeyLaboratoryofShieldMachineandBoringTechnology,Zhengzhou450001,Henan,China;3.BengbuXingxingConstructionMachineryCo.,Ltd.,Bengbu233010,Anhui,China)

The localization of shield is of great necessity for China.In this paper,the-state-of-the-art of the development of the main drive reducers of shield in China and abroad is presented,and study is made on the localization of the main drive reducers of shield in China.The fault phenomenon of the main drive reducers of LOVAT 246 shield is summarized and analyzed,and study is made on the localization of the reducers in terms of material selection,gear modulus and dimension selection and bearing optimization.The trial of the prototype shield with the developed reducers proves that the reducers developed can meet the requirements of the normal shield tunneling completely.The study on the localization of the main drive reducers of shield has great significance in improving the shield technology.

shield;main drive reducer;localization;optimization design

2014-04-03;

2014-06-10

國際科技合作專項(2011DFB71550)；中鐵隧道集團科技創新計劃(隧研合2012-05)

劉金祥(1965—)，男，河南新密人，1988年畢業于長沙鐵道學院，工程機械專業，本科，教授級高級工程師，現從事盾構技術研究與管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.08.014

U 45

A

1672-741X(2014)08-0790-07