盾構機刀盤驅動行星減速箱國產化設計

錢 瑞，肖 軍，汪 洋

（1.上海振華重工集團（南通）傳動機械有限公司，江蘇 南通 226010；2.中交天和機械設備制造有限公司，江蘇 常熟215557）

0 引言

近年來，隨著我國地下工程建設事業的迅速發展，盾構機作為主要施工裝備也得到越來越廣泛的應用。刀盤驅動部是盾構機的關鍵系統之一，加工精度、安裝精度要求高，刀盤驅動減速箱是刀盤驅動部的關鍵零部件，其工作在受限空間空間狹小且條件惡劣，運輸、安裝、調試等工作十分困難。因此設計過程中，在保證足夠的強度、剛度及工作性能的情況下，應盡量減小其體積，以便得到緊湊、合理的結構形式。本文通過3025型刀盤驅動減速箱的設計研究，分析說明刀盤驅動減速箱設計的關鍵問題。

1 刀盤驅動減速箱工況特點

刀盤驅動減速箱工作時通過輸出端的小齒輪將扭矩傳遞到主軸承的大齒輪圈，從而驅動安裝在大齒圈上的刀盤切削地層。在切削不同的地層時，巖石的軟硬程度不一，即使在同一地層，巖石的硬度也有所不同，所以驅動部在切削地層時所承受的載荷是變化的。又由于刀盤與大齒圈是純剛性連接，在破碎巖石時所產生的沖擊負荷是很大的，所以在工作時刀盤驅動減速箱要承受很大的變載荷和強烈的沖擊負荷。

地下隧道施工空間狹小，隧道內散熱性能很差，在連續負載下工作時，刀盤驅動減速箱的散熱性能很差，減速箱溫升較高。減速箱長時間工作在較高的溫度下產生的后果如下：造成齒輪油老化加劇，影響齒輪油膜的形成，會出現潤滑不良加速齒輪磨損，降低減速箱的可靠性；較高的溫度加速橡膠密封件的老化，容易導致漏油風險；較高的溫升會造成齒輪的嚙合側隙減小，導致齒輪潤滑不良，也會加劇齒輪的磨損。因此，在設計時要考慮合理的冷卻方式降低減速箱的溫升[1-3]。

刀盤驅動減速箱安裝在受限空間內，對于減速箱的安裝尺寸有一定的要求。在滿足傳動扭矩的同時，安裝尺寸越小越好。因此在設計的時候，要合理分配各級傳動副的速比，尤其是末級行星副，速比分配直接影響到內齒圈直徑的大小，進而影響安裝尺寸大小。

2 刀盤驅動減速箱國內研究現狀

刀盤驅動減速箱具有結構復雜、高功率密度、強沖擊、強變載工況等特點，目前能為盾構機提供刀盤驅動減速箱配套的只用德國、日本等幾家公司，根據查閱的國內有關刀盤驅動減速箱的文獻，國內在減速箱設計理論和國產化方面也有一些研究。陳亮[4]等對盾構機減速器三級行星齒輪傳動系統動力學特性進行研究，對盾構機減速箱進行動態嚙合力理論計算和振動測試實驗，結果表明，理論分析結果與實驗數據有較好一致性。劉金祥[5]等對使用過程中出現的故障分析，對刀盤驅動減速箱進行國產化研究。綜上有關文獻，雖對刀盤驅動減速箱進行了一些研究，但對于減速箱關鍵技術描述的比較粗略。因此，本文將對刀盤驅動減速箱國產化設計關鍵技術做一些詳細描述。

3 刀盤驅動減速箱概述

3.1 主要設計參數

刀盤驅動減速箱的主要技術參數如表1所列。

表1 刀盤驅動減速箱的主要技術參數

3.2 設計技術指標

刀盤驅動減速箱的主要設計技術指標如表2所列。

表2 技術指標

3.3 刀盤驅動減速箱結構

刀盤驅動減速箱結構如圖1所示，該減速箱具有結構緊湊、重量輕、傳遞扭矩大等特點。主要由水冷驅動電機通過花鍵軸將輸入扭矩依次傳遞到一級行星部件、二級行星部件、三級行星部件、輸出部件，最后通過輸出部件上的小齒輪將扭矩傳遞到盾構機主軸承大齒圈從而驅動刀盤旋轉。

圖1 刀盤驅動減速箱結構設計

4 刀盤驅動減速箱國產化設計關鍵技術

4.1 齒輪材料的選用

為了滿足上述工況，在刀盤驅動減速箱設計中采用17NiCrMo6-4作為齒輪材料，表3是與常規材料20CrMnMo力學性能的對比。從表3中來看，各項力學性能遠優于20CrMnMo。通過第三級太陽輪彎曲強度安全系數計算來對比這兩種材料齒輪性能優劣。

表3 力學性能對比

經計算得出計算彎曲應力σF=357.7 N/mm2，若采用20CrMnMo材料計算得齒根彎曲強度安全系數SF1=1.58，若采用17NiCrMo6-4材料計算得齒根彎曲強度安全系數SF2=1.82。根據以上計算得出，采用17NiCrMo6-4材料齒根彎曲強度安全系數較高，滿足設計指標中SF＞1.6的要求，可大大提高減速箱安全系數。

對于大扭矩、強沖擊的減速箱來說，選擇抗拉強度高、沖擊性能好的材料其強度安全系數才能更高，使用壽命才更有保障。

4.2 行星輪軸承采用齒輪軸承復合技術

工業領域的行星減速機中常用的行星輪軸承基本上都是帶外圈的滾動軸承，軸承外圈與行星輪內孔是過盈配合安裝。因為是過盈配合，此結構在安裝過程中較為困難。在使用過程，如果遇到大載荷及強沖擊工況，會造成軸承徑向跑圈及軸向竄動的情況，大大降低了使用壽命。對于功率密度高、結構緊湊的行星減速機來說，行星輪軸承壽命是整個減速機較為薄弱的一個環節，因此需要設計一種小安裝尺寸、高承載力的行星輪軸承。

為了解決上述問題，優化設計的減速箱采用無外圈的滿裝圓柱滾子軸承，行星輪內孔滲碳淬火后超精磨削當作軸承外圈使用，這樣可以縮小行星輪軸承的外徑，相同當量載荷的行星輪軸承外徑可以做的更小，有效解決行星輪軸承壽命偏低的問題。為了解決滿裝滾子軸承在空載條件下滾子打滑及在低速情況下滾子潤滑油膜形成困難的難題，軸承采用特殊的黑化涂層，有效延長軸承的使用壽命。同時軸承外圈與滾道之間是間隙配合，徹底解決過盈配合安裝困難的問題。

分別對三級行星輪內裝有相同外徑的帶外圈的軸承和無外圈的齒輪復合軸承壽命計算來說明國產化設計的可靠性。

通過計算得出使用帶外圈的軸承時壽命Lh1=16288h，使用無外圈的齒輪復合軸承時壽命Lh2=28199h，顯然使用無外圈的齒輪復合軸承的壽命大于設計要求的20000h，可以大大提高國產化設計的使用壽命。

4.3 高壓力角齒輪設計

對于齒輪來說，如果壓力角小則基圓離分度圓則很近，因為基圓以內無漸開線，故齒根部的漸開線就短了，齒根厚度相對薄弱。如壓力角大則基圓離分度圓就遠了，齒根部的漸開線長了，齒根厚度增大了，故可以提高齒輪強度。標準的齒輪傳動壓力角為20°，為了提高齒輪強度，同時也要兼顧齒輪的重合度及齒頂厚的要求，優化設計減速機選取27°高壓力角齒輪。以下分別對模數7、齒數為22的齒輪在壓力角為27°和20°齒根厚進行計算。

齒根厚計算式如下：

通過計算得出壓力角為27°時Sft1=15壓力角為20°時Sft2=12.5，顯然壓力角為27°齒根厚較大，在強沖擊工況下，可以顯著提高齒輪壽命，提高減速箱強度。

4.4 非均布行星輪系結構

均布結構的行星齒輪傳動應用已經非常廣泛了，但是在一些結構緊湊、安裝空間狹小、功率密度高的場合，非均布行星輪系結構有著特有的優點，成為一種不可忽略的結構。非均布行星輪結構有如下特點：在同樣的空間內，非均布結構能布置比均布結構更多的齒數行星輪，從而提高齒輪傳動的承載力；齒輪齒數的選擇不受限制，在任意的齒輪情況下都能滿足裝配要求。同時行星輪以組為單位均布，行星輪系的作用合力為零，質量偏心距為零，可以部分抵消行星輪對行星架的作用力。

4.5 減速箱內部設置冷卻水腔增強散熱能力

一般行星齒輪減速機散熱是通過箱體表面自然散熱，但是主驅減速箱的使用環境比較惡劣，依靠箱體表面散熱降低齒輪箱的使用溫度效果不明顯。為此，優化設計的減速箱在靠近發熱量較大的一級行星部件處設置冷卻水腔，通過循環的冷卻水帶走一部分熱量來增強齒輪箱的散熱能力。

箱體表面自然散熱排出的最大熱功率計算式如下：

式中h為系數；S為散熱面積；θy為最高油溫；θ0為環境溫度。

帶內置冷卻水腔裝置排出的最大熱功率計算式如下：

式中h′為冷卻水腔傳熱系數；Sg為冷卻水腔散熱面積；θ1s為出水溫度；θ2s為進水溫度。

經計算，該減速箱通過箱體自然散熱排出的最大熱功率Q1=76 kW，帶內置冷卻水腔排出的最大熱功率Q2=107 kW，顯然Q2大于Q1，可以顯著降低減速箱的表面溫度，提高減速箱使用的可靠性。

5 刀盤驅動減速箱可靠性設計

刀盤驅動減速箱由于安裝位置的限制，其體積不能太大，因此在保證減速箱可靠度的條件下，以體積最小為目標進行可靠性設計。

以第三級行星輪系設計為例，詳盡介紹刀盤驅動減速箱的可靠性設計。為了簡化數學模型，設計變量常取太陽輪齒數Za、齒圈齒數Zb、行星輪齒數Zc、模數 m、齒寬 b，則設計變量為

以減速箱體積最小為目標，建立如下目標函數：

優化求解，通過分析共計有40個約束條件，5個設計變量，利用求解軟件的可靠性優化模塊進行優化求解。可靠性設計與常規設計結果如表4。

表4 計算結果對比

利用可靠性設計，在滿足相同的約束條件及可靠性下，可靠性設計的減速箱，體積減小了17.7%。因此，通過可靠性設計后減速箱體積更小，更緊湊。

6 結束語

刀盤驅動減速箱的設計一定要使其符合盾構機的工況特點，無論是材料的選擇，結構的設計，都要滿足使用要求。通過特殊的優化設計，實現刀盤驅動減速箱國產化設計，可以極大縮短產品的供應周期，降低成本，促進盾構施工進度，對提升我國盾構施工技術水平有著重大意義。國產自主研發的刀盤驅動減速箱已經裝備到一些盾構機的主機上使用，通過實際使用和檢測結果對比，已經完全可以替代進口產品，各方面的性能指標完全達到進口品牌的技術指標，實現刀盤驅動減速箱的國產化。