一種大功率懸臂式隧道掘進機切割行星傳動裝置的設計與研究

宋雨

（徐州徐工基礎工程機械有限公司，江蘇徐州221004）

0 引言

掘進機是應用在工程隧道、礦山巷道、城市地下空間等領域中的開挖設備。其中的一種懸臂式隧道掘進機具有工作可靠性高、操作相對簡單、使用靈活等特點。它是能夠實現切割、裝載運輸、自行走及噴霧除塵的聯合機組，自動化程度高，相對于傳統掘進能有效控制超欠挖、圍巖擾動、噪聲、粉塵污染等難題。目前，懸臂式隧道掘進機被廣泛應用在礦山井下巷道掘進、交通和水利隧道掘進，以及其他工程的洞穴開掘等掘進工程領域中。

隨著我國基礎建設的高速發展，對懸臂式隧道掘進機的性能要求不斷提高，不僅要滿足綠色施工的要求，又要能切割一般硬巖（抗壓強度50~60 MPa），特別是切割堅硬巖（抗壓強度110 MPa），并且是全巖地質隧道。

我國地質條件復雜多變，為應對不同地質構造和斷面形狀，就要求硬巖掘進機系列化、多樣化。切割部是硬巖掘進機切割力輸出單元，因此為切割部提供動力的行星傳動裝置即行星減速機系列化、多樣化成為重中之重。在我國，懸臂硬巖掘進機技術發展趨勢是[1]:1）矮型化。擴大掘進機的適用范圍，進一步使機型矮型化,改善切割、裝載、行走等結構，使其能較好地適應我國各種地質構造和斷面形狀的硬巖掘進。2）重型化。增加懸臂硬巖掘進機的切割功率，使其滿足超硬巖的工作環境。

市場對硬巖掘進機具有系列化、多樣化的需求，迫切需要對懸臂式隧道掘進機切割傳動裝置關鍵技術展開攻關研究，并取得突破。目前，國內懸臂式掘進機的切割強度偏小，還不能滿足超硬巖的工作施工需求。因此，補充大功率懸臂式隧道掘進機切割傳動裝置的需求勢在必行。

目前，國內推向市場的懸臂式掘進機的最大切割功率為320 kW，不能滿足部分堅硬巖地質的施工需要。為擴大懸臂式掘進機的工作范圍，提高其施工效率，本文對硬巖懸臂式隧道掘進機切割傳動裝置進行研發，完成360 kW大功率懸臂式隧道掘進機用行星減速機設計和產品開發工作，使其具備硬巖地質構造的掘進能力，掌握360 kW大功率硬巖懸臂式掘進機切割傳動裝置設計制造技術。

1 研究內容

本文研制出的切割功率360 kW的切割行星傳動裝置主要針對中大斷面的堅硬巖隧道施工需求設計，掘進機切割高度達7 m以上，可實現中等斷面隧道一次開挖成型，大斷面隧道分兩層開挖成型，適用于地鐵、公路、鐵路等中、大斷面隧道工程及市區地下施工。根據實際需求，本文要完成研發得到懸臂掘進機用行星減速機的技術參數如表1所示。

表1 大功率懸臂掘進機設計技術參數

本研究關鍵技術在于：1）整機方案設計，速比分配。保證設備的可靠性，整機方案既要滿足懸臂硬巖掘進機高抗壓強度、高可靠性要求，又要滿足結構緊湊性要求。仔細研究硬巖掘進工況，選用合理的工況系數、齒部參數和軸承，優化行星架結構和材質。優化軸承使用安全系數和空間結構布置。2）整機動力性能分析。根據掘進工況和設備結構特點，采取相應的齒輪修形方法，使得傳動精度更高，傳動更平穩，承載能力更高。通過三維模擬和加載試驗等技術手段，分析整機剛度、抗沖擊能力、運轉噪聲和溫升等。

2 技術方案及措施

根據研究內容和目標，結合技術關鍵點，提出了本設計技術方案和措施如下：1）與掘進機整機設計人員進行交流溝通，對掘進機載荷特性進行深入研究，確保選用最合理的工況系數。2）采用多行星輪結構，設計合適的齒輪參數，并通過技術手段對所有的齒輪接觸疲勞強度、彎曲疲勞強度、靜接觸強度和靜彎曲強度進行精確校驗，選取接觸強度安全系數和彎曲強度安全系數均較高的齒部參數。所有齒輪均采用優質低碳合金結構鋼鍛件制造，經滲碳淬火熱處理，確保處理后的零件擁有極高的強度、極佳的韌性[2]。齒面經過磨齒修形，齒面粗糙度不低于RZ0.8 μm，輪齒幾何精度不低于ISO 6級。3）經用戶反饋，該結構的行星減速機易損件為行星輪用軸承。本文重點對行星輪用軸承進行設計，選取合適的行星輪用軸承型號，計算軸承壽命，使其既能滿足功能需求，又要具有較高的使用壽命。4）齒圈、行星架等零件采用優質中碳合金結構鋼鍛造，經調質熱處理，確保處理后擁有良好的綜合性能和極佳的韌性。同時，借助有限元分析技術，對輸出行星架進行結構優化分析，設計出各項性能俱佳的方案，有限元分析云圖見圖1所示。分析結果顯示，在最大輸出轉矩工況下，行星架的左右安裝行星輪銷軸孔最大相對變形量不超過0.03 mm，行星架的最大Mises應力值不超過250 MPa。行星架和內齒圈均進行氮化處理，提高其表面硬度，增強其耐磨性，延長設備使用壽命。5）二級行星輪用軸承選用無外圈型軸承，精準評定軸承壽命，增加接油結構，確保軸承處于良好潤滑狀態。

圖1 輸出行星架有限元分析云圖

根據產品設計參數要求，通過理論設計計算、強度校核、有限元分析等途徑，設計出懸臂掘進機用行星減速機的結構方案，如圖2所示。

圖2 掘進機用行星減速機方案結構圖

本設計方案中，一級太陽輪作為輸入軸與電動機相連，一級太陽輪、一級行星架、一級行星輪和內齒圈殼體組成NGW型一級行星減速結構；一級行星架帶動二級太陽輪，二級太陽輪、二級行星輪、內齒圈和二級行星架組成NGW型二級行星減速結構。二級行星架作為輸出軸，將電動機經過減速機增大的轉矩輸出，帶動掘進機炮頭完成大轉矩工作。一級二級內齒圈設計成連體結構，既能滿足掘進機對其的強度、剛度要求，也能節省加工成本。

本設計方案結構緊湊，一級傳動比選用6.29，二級傳動比選用4.31；作為關鍵零部件的齒輪類結構件接觸強度安全系數大于1.15，彎曲強度安全系數大于1.35，安全系數完全滿足要求；行星輪用軸承均選用圓柱滾子軸承，二級行星輪選用能承受大載荷的滿裝圓柱滾子軸承，在可靠度90%的情況下，軸承設計壽命均大于18 000 h。

3 加載試驗性能分析

設計完成后，安排生產制造。在設備加工過程中，嚴格控制零部件加工精度，保證產品內在質量。加工的功率達360 kW的設備實物如圖3所示。

圖3 360 kW行星減速機實物

為準確獲得該減速機的出廠性能，確保其滿足設計功能，對其進行加載試驗分析。試驗過程嚴格按文獻[3]、[4]執行，加載試驗方案如圖4所示，試驗現場如圖5所示。

加載過程中，測試設備的溫升、傳遞效率、振動和噪聲情況試驗結果如表2所示。

圖4 行星減速機加載試驗方案圖

圖5 行星減速機加載試驗現場

表2 行星減速機加載試驗結果

試驗結果表明，各項測試參數均在技術要求范圍內，設備運行平穩，完全符合設計要求和產品出廠要求。

圖6 XTR7/360懸臂隧道掘進機工作現場

4 現場應用

該懸臂式掘進機用行星減速機加載試驗效果良好，便在新型懸臂式掘進機中安裝使用。隨之，國內最大懸臂式縱軸掘進機XTR7/360不久后就順利下線了[5]。

該掘進機下線后，首次在湖南省某污水管網改造工程中進行施工，如圖6所示。該工程是全長約1.2 km、開挖斷面寬4.6 m、高6.6 m的城門洞型水利隧道。隧道上方為居民樓及路面，埋深約4 m左右，對圍巖擾動、噪聲控制的要求非常嚴格。隧道地層為全巖巷，巖石為單軸飽和抗壓強度90~110 MPa、局部超過110 MPa的石灰巖、花崗巖。該工程在初始開工時，進洞口和出洞口同時施工，進洞口處使用破碎錘施工，因巖石太硬失敗撤場，出口處采用靜態炸藥爆破施工，月進尺2~6 m，歷經幾個月后，由于施工效率太低，施工隊也無奈撤場。

該懸臂式隧道掘進機機身重量達145 t，最大切割功率為360 kW，定位切割高度和切割寬度均在7 m以上。在該工程進行全斷面施工以來，經受了硬巖地層的考驗，性能穩定，掘進效率顯著提高。在斷面面積30 m2左右斷面掘進時，創下連續工作時間3 h,連續進尺2 m的良好成績，且掘進時，圍巖擾動小、噪聲低，對超欠挖也可有效控制，獲得了項目部的高度評價。

在如此復雜的地質條件下，該懸臂式隧道掘進機成功施工，標志著我國的隧道掘進機技術達到了世界先進水平，為社會創造更大效益。

5 結語

本文研制的功率為360 kW的切割傳動裝置應用機型XTR7/360懸臂式隧道掘進機為國內最大噸位的硬巖型隧道掘進機，切割巖石最大抗壓強度達到110 MPa。該機專注硬巖切割可靠性設計，具有可靠性高、破巖能力強的特點；該產品載荷分配均勻，功率密度高，可以有效節省空間；現場安裝拆卸方便、快捷；其工作機構一機多配，可適應不同地層施工，城市地下，偏遠山區皆宜。在施工中經受了硬巖地層的考驗，性能穩定。該掘進機的出現大大提高了施工效率，相較傳統爆破開挖，可有效控制超欠挖，圍巖擾動小、噪聲低。該設備提升了我國隧道掘進施工技術水平，引領了隧道掘進機行業的發展。