3m盾構(gòu)機(jī)減速器的研發(fā)

苗闖 李浩

摘 要：隨著中國(guó)大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、西部大開(kāi)發(fā)的實(shí)施，中國(guó)的鐵路、公路、引水、大中型水電站以及國(guó)防建設(shè)等工程中將有大量的長(zhǎng)大隧道需要建設(shè)，現(xiàn)代城市建設(shè)中的地鐵工程、市政工程（排污管、輸水管、通訊、電力管道等）、越江隧道也在不斷增加。開(kāi)挖這些大量的地下隧道工程，工期對(duì)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境等方面有著重大影響，而且地下工程掘進(jìn)工作面又常常受到很大的限制，面對(duì)速度、環(huán)保、效益等問(wèn)題，使用盾構(gòu)機(jī)無(wú)疑是最好的選擇之一。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī) 減速器 自主研發(fā)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）03（c）-0060-02

盾構(gòu)機(jī)減速器中技術(shù)含量最高的產(chǎn)品是主驅(qū)動(dòng)減速器、管片拼裝機(jī)減速器和螺旋輸送機(jī)減速器。這3種減速器作為盾構(gòu)機(jī)的主要部件起著至關(guān)重要的作用。它的質(zhì)量直接決定了盾構(gòu)機(jī)可靠性的高低。要實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的高國(guó)產(chǎn)化率，就必須實(shí)現(xiàn)減速器的國(guó)產(chǎn)化。

1 主要研究技術(shù)內(nèi)容、預(yù)期目標(biāo)及創(chuàng)新點(diǎn)

盾構(gòu)機(jī)中的主驅(qū)動(dòng)減速器、管片拼裝機(jī)減速器和螺旋輸送機(jī)減速器都是采用的大致相同的行星結(jié)構(gòu)，所以在技術(shù)研究上都是相同的。

1.1 高功率密度行星齒輪減速器設(shè)計(jì)技術(shù)

由于結(jié)構(gòu)限制和大功率傳動(dòng)需要，盾構(gòu)機(jī)減速器是采用NGW型的漸開(kāi)線行星齒輪傳動(dòng)方式。在合理的均載機(jī)構(gòu)保證下設(shè)計(jì)成三行星或更多行星的結(jié)構(gòu)，太陽(yáng)輪和行星輪采用含鎳、鉻的合金鋼材料、滲碳淬火磨齒工藝，齒面硬度HRC58-62，齒輪精度根據(jù)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)最終確定，不低于GB 10095中的6級(jí)；內(nèi)齒圈采用中碳調(diào)質(zhì)鉻、鉬或鎳、鉻合金鋼，調(diào)質(zhì)處理齒面硬度HB300左右，齒輪精度不低于GB 10095中的7級(jí)，必要時(shí)采用感應(yīng)淬火后磨齒工藝。以我們現(xiàn)在的設(shè)計(jì)技術(shù)可以達(dá)到工況系數(shù)KA=1時(shí)，100～120kN.m/1000kg，因此我們可以有把握地設(shè)計(jì)出尺寸小、重量輕的低速重載齒輪箱。

1.2 多行星輪傳動(dòng)的嚙合均載技術(shù)

行星傳動(dòng)裝置之所以具有體積小、重量輕、承載能力高的優(yōu)點(diǎn)，主要是由于在結(jié)構(gòu)上利用了多個(gè)行星輪分擔(dān)載荷，形成功率分流，并合理使用內(nèi)嚙合傳動(dòng)的效果。因此，使行星輪載荷均衡，就是要求太陽(yáng)輪傳遞給各行星輪的作用力相等，但這種理想的受力狀態(tài)實(shí)際上是很難達(dá)到的。從結(jié)構(gòu)上采取措施，在行星減速器中采用合理的均載機(jī)構(gòu)，是不依賴(lài)工藝條件、簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的辦法。

在行星減速器中，對(duì)基本構(gòu)件如太陽(yáng)輪、內(nèi)齒輪、行星架不加徑向支撐，允許做徑向及偏轉(zhuǎn)位移，當(dāng)受載不均衡時(shí)，即可自動(dòng)定心，直至各行星輪間載荷均勻分配為止。這就是，通過(guò)基本構(gòu)件浮動(dòng)來(lái)增加機(jī)構(gòu)的自由度消除或減少虛約束，達(dá)到均載的目的。

1.3 減速器水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及溫升控制

主驅(qū)動(dòng)減速器同其他減速器相同，主要的熱源有齒輪副嚙合傳動(dòng)產(chǎn)生的熱量和軸承的摩擦發(fā)熱。但由于該減速器單位體積承載能力更大，而且取消了外殼，直接將內(nèi)齒輪作為殼體，緊湊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)外同時(shí)嚙合形成的集中熱量、有限的散熱表面使減速器傳熱條件變壞，有必要采取有效的措施去除影響減速器正常工作的不利因素。根據(jù)刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的行星減速器現(xiàn)場(chǎng)工作條件采用循環(huán)冷卻油強(qiáng)制散熱的辦法為減速器散熱。

1.4 齒輪熱處理及變形控制技術(shù)

開(kāi)展熱處理工藝技術(shù)條件及各工藝過(guò)程的控制技術(shù)的研究，由于硬齒面齒輪在嚙合齒面接觸處有很大的接觸應(yīng)力，同時(shí)齒根部承受最大彎曲應(yīng)力，因此在齒輪工作過(guò)程中其失效形式主要表現(xiàn)在斷齒、齒面磨損、塑性變形等。特別是大功率減速器齒輪其受力情況更加復(fù)雜，不僅齒面要有足夠的硬度和耐磨性，而且要提高輪齒芯部的強(qiáng)度和韌性等綜合機(jī)械性能，才能滿足齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度的更高要求，因此采用硬齒面技術(shù)，通過(guò)對(duì)優(yōu)質(zhì)低碳合金鋼滲碳淬火的熱處理工藝方法是最有效的途徑。

采用滲碳淬火磨齒工藝加工的齒輪，有良好的耐磨表面、合理的硬度梯度、適當(dāng)?shù)男静坑捕扰浜稀⑼昝赖木瓤刂疲瑸楦邚?qiáng)度齒輪提供了可靠保證。

齒輪的熱處理主要工藝方法是調(diào)質(zhì)、表面感應(yīng)淬火、滲氮、滲碳。采用調(diào)質(zhì)工藝已滿足不了高功率密度減速器的使用強(qiáng)度要求；表面感應(yīng)淬火，其淬硬層分布硬度較陡，淬硬層質(zhì)量不宜控制，齒根與齒面淬硬層分布不一致，特別是淬火溫度控制較難，同時(shí)硬度有一定的限制，反應(yīng)在使用過(guò)程中點(diǎn)蝕和斷齒較多；采用滲氮工藝，因其實(shí)現(xiàn)的層淺無(wú)法滿足高功率密度要求；而滲碳淬火工藝隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展已完全實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制，使工藝過(guò)程得以精確把握，表面硬度可達(dá)到HRC54～62范圍內(nèi)任意控制，同時(shí)硬化層分布合理、均勻。滲碳齒輪的硬度比調(diào)質(zhì)硬度提高近100%。

采用滲碳淬火磨齒工藝加工的齒輪，由于承載能力的提高，從而減輕了齒輪的尺寸及相應(yīng)的重量，使減速器實(shí)現(xiàn)了體積小、重量輕和高性?xún)r(jià)比，可以滿足土壓平衡盾構(gòu)大功率減速器在單位體積內(nèi)傳遞最大的扭矩的要求。

通過(guò)對(duì)熱處理滲碳工藝研究，采用新型滲碳爐，滲碳過(guò)程實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制，各滲碳區(qū)間可以仿真。保證有效硬化層的深度和硬度梯度的合理分布。淬火油采用快速光亮淬火油，最大限度地減薄齒面脫碳層，通過(guò)滲碳淬火過(guò)程控制，避免出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物，保證磨齒過(guò)程中不出現(xiàn)裂紋，金相組織滿足要求。

2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品與技術(shù)發(fā)展水平、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)際上，盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)較漫長(zhǎng)的過(guò)程。從1845年開(kāi)始的l00多年的時(shí)間里，全世界的發(fā)明家都在尋找實(shí)現(xiàn)巖石隧道掘進(jìn)機(jī)械化的方法。直到1952年，美國(guó)羅賓斯公司的創(chuàng)始人——吉姆斯·羅賓斯先生開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)具有實(shí)用性的、開(kāi)掘巖石隧道的巖石掘進(jìn)機(jī)，找到了巖石隧道掘進(jìn)機(jī)械化的方法。

此后至今的40年來(lái)，無(wú)論是巖石掘進(jìn)機(jī)還是盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)都得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。使用巖石掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)的隧道已超過(guò)l0000km，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的隧道更多。目前，在國(guó)際上盾構(gòu)機(jī)技術(shù)已經(jīng)成熟，已達(dá)到工作可靠性高、定向精度高、自動(dòng)化水平高、適應(yīng)能力強(qiáng)、掘進(jìn)速度快、使用壽命長(zhǎng)等苛刻要求。

而實(shí)現(xiàn)這些苛刻要求的前提就是盾構(gòu)機(jī)中的減速器需要具有較高的可靠性。目前國(guó)內(nèi)減速器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平與國(guó)際上相差無(wú)幾，我們需要提高的關(guān)鍵點(diǎn)主要集中在材質(zhì)、熱處理和工藝手段上。這些是我們主要的研究?jī)?nèi)容。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)歷了幾個(gè)月的減速器研發(fā)工作，其中遇到了很多困難，但是由于大家的幫助和筆者對(duì)研發(fā)設(shè)計(jì)的執(zhí)著，克服了種種障礙成功地完成了3m盾構(gòu)機(jī)減速器的這項(xiàng)工作，這不僅是對(duì)筆者個(gè)人努力的一種肯定，也是對(duì)團(tuán)隊(duì)合作的一種贊譽(yù)。

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