土壓平衡盾構機主驅動結構設計分析

楊 云 李 強 邱 健

（濟南重工股份有限公司，濟南 250109）

盾構機必須根據隧道工程地質、水文和斷面尺寸等施工環境和要求進行選型設計，土壓平衡盾構機主驅動用于支承刀盤并在施工過程中為刀盤開挖掘進提供和控制所需扭矩。根據盾構機幾何設計、刀具配置和刀盤結構，結合地層相應條件，計算確定推力、刀盤扭矩和轉速等參數，為土壓平衡盾構機主驅動結構設計分析提供依據。

圖1 某變頻電機扭矩曲線圖

1 主驅動結構設計分析

土壓平衡盾構機主驅動主要包括驅動動力、減速機、齒輪副、主軸承、密封和潤滑、主驅動箱等，驅動路徑為驅動動力→減速機→小齒輪→主軸承→驅動盤→刀盤，具有傳遞扭矩大、結構復雜緊湊、控制精度高等特點。盾構機的施工性質決定主驅動必須具有可靠性高、同步性好以及良好的操作性能，因此，需要對其關鍵零部件和結構進行設計分析。

土壓平衡盾構機主驅動結構一般設計過程主要包括：（1）總體結構設計，確定主驅動主要結構型式；（2）對主要傳動部件進行計算、選型及校核；（3）驅動箱及環件設計；（4）密封及潤滑系統設計；（5）其他結構設計。

1.1 主軸承

主軸承長期在重載、變載工況下工作，并同時承受軸向、徑向及傾覆力矩，要求可靠性高、使用壽命長，目前較多采用三排組合圓柱滾子結構，其動套圈也作為與小齒輪嚙合傳動的大齒圈。根據各種工況及占比，初步選取圓柱滾子節圓直徑，計算當量動載荷，以達到基本額定壽命要求，計算當量靜載荷，控制主軸承的永久變形量，最后進行接觸應力校核[1-2]。

1.2 小齒輪

小齒輪通常為漸開線直齒圓柱齒輪，與主軸承大齒圈組成齒輪副，根據標準和手冊進行幾何尺寸計算、強度和壽命校核，確定主要參數，進行詳細設計[3]。

1.3 減速機

由于速比、扭矩和空間限制，減速機選用行星齒輪減速機，根據減速機工況條件，對減速機進行強度校核、熱平衡校核、徑向載荷校核等[4]。

1.4 驅動動力

雖然近年出現永磁同步驅動、電液混合驅動等方式，但液壓馬達驅動和變頻電機驅動仍是主驅動的現有主要驅動動力，液壓馬達驅動體積小、效率低、后續設備多，較常用于中小型盾構，變頻電機驅動體積大、效率高、后續設備少，較常用于大直徑盾構，從節能方向及發展趨勢來看，變頻電機驅動方式是刀盤驅動今后的發展方向[5]。

以變頻電機驅動為例，在設計選型過程中，根據刀盤額定轉速、額定轉矩、脫困扭矩等參數，進而確定變頻電機功率、額定扭矩、數量以及恒扭矩和恒功率范圍，某變頻電機轉速、功率和扭矩曲線如圖1所示。

1.5 密封和潤滑

根據主驅動結構尺寸和工況條件，進行密封裝置的選用配置和潤滑介質的選用計算，防止密封滑動面磨損和雜物侵入，保證主驅動處于良好的潤滑狀態[6-7]。

1.6 主驅動箱

主驅動主要部件確定后即可進行主驅動箱結構設計，主驅動箱設計必須保證其具有足夠的強度和剛度。

1.7 其他

主驅動結構式設計時還應進行小齒輪滾動軸承選型及布置[8]、螺栓選用、管路設計、耐磨網格布置以及試驗工裝設計等。

2 實例分析

某施工標段刀盤轉速和扭矩如表1所示。

表1 刀盤轉速和扭矩參數表

表2 主驅動主要參數表

通過對主要部件進行計算和校核，確定主驅動主要參數如表2所示。

3 結語

盾構機主驅動結構復雜，結構設計時需要反復調整、校核，通過與控制系統、流體系統結合，并在實際施工中驗證，不斷分析、總結，以使結構更加優化、計算選型更加準確合理。