基于盾構機驅動刀盤減速機的故障分析

李偉

摘 要：盾構是隧道工程中最常用的設備之一，刀盤是盾構設備主驅動系統中的重要組成部分，而減速箱是刀盤系統中的核心部件。因此，針對盾構機驅動刀盤減速機的故障進行分析，能夠為工程機械設備驅動設計的改進和創新，提供參考意見。本文中以此為研究點，深入地分析基于盾構機驅動刀盤減速機的故障，研究故障產生的原因，以期通過該種方式為設計者提供更多的改進和創新的參考建議，為我國機械設備的研發奠定基礎。

關鍵詞：盾構；機構驅動；刀盤；減速機；齒輪

中圖分類號： U455.43 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）34-186-2

0 引言

盾構機驅動刀盤減速機故障是影響盾構機驅動的主要原因，也是影響盾構機在工程中的應用效率的主要原因。近幾年隨著我國自主設備研究水平的逐漸提升，在盾構機驅動刀盤減速機的研究與設計上獲得了突破性的進展。我國自主研發的盾構機驅動刀盤減速機也在國家重大工程中應用，打破了國外技術壟斷和封鎖的現象。但是，在實際應用和操作過程中發現盾構機驅動刀盤減速機仍然存在故障，因此，為進一步強化我國自主研發技術，為機械設備的應用與生產做出貢獻，應該進一步分析產生原因，從而有效地為實際技術研發和工程應用提供改進參考建議。

1 減速機及盾構機驅動刀盤

減速機是機械設備中最重要的組成部分之一，其利用原動機和工作機結構之間匹配轉速和傳遞轉矩的作用實現對機械設備的減速[1]。齒輪是減速機中重要的組成零件之一，根據齒廣輪的形狀當前我國減速機分為圓柱齒輪減速機、圓錐齒輪減速機和圓錐-圓柱齒引輪減速機。盾構機是地下隧道工程開發過程中使用的一種密集型重大工程裝備，而刀盤是盾構設備中的重要組成部分，也是地下隧道工程開發所使用的主要部分之一。為滿足盾構設備在工程中的應用，其自身驅動系統需要具有功率大、扭矩輸出大、抗沖擊、轉速雙向連續可調等特點。

2 盾構機驅動刀盤減速機工作原理

盾構機驅動系統內部主要包含馬達、主減速器、小齒輪減速單元、大齒輪減速單元等結構。盾構機驅動系統是刀盤工作過程中的動力傳動機構，被用來驅動刀盤旋轉，從而實現刀盤切割土層的目的。單盤通過螺栓連接固定的前承壓隔板中的法輪，實現刀盤逆時針或順時針旋轉，本次論文中的盾構機驅動刀盤直徑為6.28m，總功率為1520W，刀盤最大扭矩值為5300kN·m，最大推進力為30000kN，挖掘的最大速度為0.08m/min，刀盤最大轉速為6r/min。刀盤傳動工作圖見圖1[2]。

盾構機驅動刀盤減速機工作傳動中為了進一步地穩定刀盤的低轉速和大扭矩下的工作，一般采用的是行星齒輪結構，從而達到完成復雜結構、高功率的作用。內部主減速箱內含有三級行星減速裝置，每一個層次的行星減速裝置之間采用螺栓連接的方式，由太陽輪提供機械設備的傳動動力。此外，每一個行星減速層次中含有單獨的減速結構，減速結構內部有太陽輪、齒圈、行星架、行星齒輪等組成。其工作的過程中利用太陽輪與行星齒輪相反方向內嚙合轉動和行星齒輪與齒圈相同方向內嚙合轉動實現內層次單獨減速的工作原理[3]。

盾構機驅動刀盤減速機在實際工作過程中的工作原理是利用各個層次的減速機作用，共同實現主驅動大齒輪的減速作用。大齒圈在工作過程中利用螺栓、定位銷與刀盤鏈接作用，為減速機的工作提供動力，從而驅動刀盤達到旋轉工作的目的，最終實現切削土質的作用。與此同時，盾構機驅動刀盤減速機還可以在工程中執行挖掘任務，但是在該任務操作的過程中需要對刀盤的旋轉進行重新啟動，實現刀盤旋轉推進的模式。利用油缸的動力和大齒輪作用，推進刀盤，使其實現連續切削挖掘工作的目的。

3 盾構機驅動刀盤減速機齒輪故障

3.1 齒輪損壞故障

齒輪損壞故障分為幾種不同的類型。當前我國盾構驅動刀盤減速機齒輪損壞故障主要分為齒輪斷齒、疲勞點損壞、剝落和齒面磨損四種類型。進一步對盾構機驅動刀盤減速機故障的發生率進行研究，發現其中齒輪疲勞點損壞是盾構機驅動刀盤減速機齒輪故障中最常產生的一個故障類型[4]。盾構機驅動刀盤減速機疲勞點損壞根據特征會出現點狀麻點、凹坑等，因此根據齒輪疲勞點損壞程度可以將其分為初始點損壞、破壞性損壞和表面剝落性損壞三種類型。其中初始點損壞主要是非擴展性的損壞，一般不會對齒輪本身造成一定的損害；破壞性損壞和表面剝落性損壞則會產生損壞區域擴大的現象，從而加深齒面破壞程度，使齒輪的傳動失去平穩定。此外，一旦齒輪產生破壞性損壞和表面剝落性損壞會造成整個盾構機驅動刀盤減速機的傳動系統出現癱瘓的現象。

3.2 齒輪損壞故障原因分析

齒輪損壞本身是發生在齒輪自身上，因此其故障產生的原因主要分為內在原因和外在原因兩種類型。第一，內在原因。盾構機驅動刀盤減速機在自身組裝過程中需要使用不同類型的齒輪進行組裝，從而實現設備齒輪動力的組裝。但是，針對本次研究中的盾構機驅動刀盤減速機內部齒輪進行拆解檢測發現，一臺盾構機驅動刀盤減速機內部齒輪的生產廠家中出現了4家，由于每一個齒輪生產廠家在進行齒輪加工的過程中使用的加工設備不同，齒輪與齒輪之間雖然型號相同，但是存在細微差別。因此，造成齒輪在實際工作過程中產生軸承磨損和齒輪磨損的現象。第二，外在原因。外在原因主要分為安裝原因和操作原因兩種。其中安裝原因主要是指設備在工程項目進場施工安裝的過程中，對盾構機驅動刀盤減速機固定螺栓的緊固和實效并沒有及時地進行調整和處理。尤其是在啟動和運行的過程中，對減速機的沖擊力相對較大。操作原因主要是指盾構機驅動刀盤減速機在實際操作施工的過程中根據生產廠家的要求盾構機驅動刀盤減速機刀盤換向時間需要在40s以上，但是在實際操作過程中現場的刀盤換向時間為4.5s，從而導致齒輪和軸承由于操作不當導致出現破壞性損壞和表面剝落性損壞。

3.3 齒輪損壞故障改進措施

針對齒輪損壞故障對其進行分析，從而提出改進措施可以從自身設計上、生產制造商、現場調試上和運行維護上對其進行改進。首先，在設計盾構機驅動刀盤減速機的過程中根據其各個減速層級對其齒輪的需求和最大扭矩進行分析，通過具體的疲憊值計算齒輪的使用壽命和相關規定指標，在有效提升現有功率的基礎上提升工作效率。其次，在生產制造過程中采用機械設備設計人員現場監督處理的方式，對其生產過程進行監督，提高設計與生產的統一性[5]。然后，在現場調試上根據施工現場的情況，由專業的機械設計人員對設備進行調試和處理。最后，利用溫度、震動、噪音、油檢、內窺鏡等檢測手段，對盾構機驅動刀盤減速機進行日常運行維護。

4 總結

盾構機驅動刀盤減速機故障是盾構機在實際工程應用中最常見的一個問題。因此，在提升自身設備水平的過程中必須深入地對刀盤減速機故障進行分析，通過本文的研究能夠得出齒輪故障是盾構機驅動刀盤減速機故障的主要故障。因此，未來在實際操作設備設計和使用過程中應該對盾構機驅動刀盤減速機內部齒輪的設計和使用進行加強，從而有效提升機械設備的工作效果，增強實用價值。

參 考 文 獻

[1] 吳朝來.盾構螺旋輸送機驅動密封故障處理與防護技術[J].隧道建設，2012（01）：134-138.

[2] 楊明金.NFM盾構主驅動系統減速箱毀壞原因分析及改造[J].現代機械，2012（02）：66-68.

[3] 黃克，趙炯，周奇才，熊肖磊.基于多變量統計過程監控的盾構機故障診斷[J].中國工程機械學報，2012（02）：222-227.

[4] 任亞軍，趙明.盾構機刀盤變頻驅動控制系統研究[J].機械與電子，2015（04）：44-46.