隧道掘進機主驅動減速機研制與分析*

楊 震，陳光富，闕洪軍，姜 波

(重慶齒輪箱有限責任公司,重慶 402263)

0 引 言

近年來，隨著我國國民經濟迅速發展，城市人口過度集中，導致公共交通壓力驟增，亟需開展各類基礎設施建設工程項目。由于城市地鐵、高速鐵路、各類公路建設需開建大量隧道，而隧道由于地質情況復雜、掘進難度大、人力成本高等因素的限制，給盾構機(隧道掘進機)提供了廣闊的市場前景[1-2]。盾構機已經在我國交通建設和城市發展中發揮著不可替代的作用，然而我國使用的大部分盾構機整機或核心部件均依賴于進口，價格昂貴且核心技術封鎖[3]。所以實現大功率高承載主驅動減速機國產化，對提升我國裝備制造業的自主創新能力與核心競爭力具有重要的意義。因此，設計一種新型減速機動力傳動結構具有重要的理論與工程應用價值。

關于隧道掘進機各部件結構，國內外學者進行了大量的研究工作。?？桌诘萚4]研究了盾構機主驅動減速機的失效機理，其研究結果可為減速機結構合理設計提供工程參考，包括結構設計時需考慮到實際工作狀態下的掘進參數、機構受載情況等因素。劉珍來[5]建立了土壓平衡盾構機的三級行星減速器的數值仿真模型，得到了行星架強度及剛度在時變載荷作用下的變化規律。肖正明等[6]根據實驗模態分析理論，對減速器結構進行了模態實驗，獲取到的模態參數可提供減速機結構設計依據。Ligata等[7]基于試驗分析了制造誤差對減速機行星輪系均載及齒輪應力的影響。

針對TBM170113主驅動減速機結構，建立了各級行星架的有限元分析模型，得到了不同工況下的結構應變及應力情況；并且進行了主驅動減速機空載、加超載試驗，試驗結果表明該減速機結構強度滿足工作要求，驗證了該型主驅動減速機產品設計的合理性。

1 主驅動減速機結構設計

盾構機整體結構如圖1所示。

圖1 盾構機整體結構

主驅動減速機總體結構如圖2所示，主驅動減速機主要由冷卻裝置部套、一級行星部套、二級行星部套、三級行星部套組成。其中齒輪傳動部分采用三級NGW行星結構，呈水平安裝狀態。輸入端安裝冷卻裝置部套，供冷卻水循環進出，實現減速機輸入軸部分及高速行星級冷卻功能，完成熱交換過程，達到控制工作過程中油溫的目的，保證減速機整體正常運轉。

圖2 主驅動減速機整體結構

2 有限元建模與分析

2.1 有限元模型建立

首先在SolidWorks 中建立行星架結構的三維實體模型，并將模型中的微小倒角處進行簡化處理。而后將該模型導入ANSYS Workbench平臺中，采用四面體結構進行網格劃分，并在局部位置細化網格處理，其有限元網格模型如圖3所示。

圖3 行星架有限元網格模型

各級行星架邊界條件分別進行設置，其中一級行星架小端內孔面采用固定約束，三個行星軸支撐面添加軸承接觸載荷；二級行星架小端內孔面采用固定約束，四個行星軸支撐面添加軸承接觸載荷；三級行星架左端內孔面采用固定約束，兩端外圓圓柱進行支撐約束，四個行星軸支撐面添加軸承接觸載荷。

2.2 結果分析

由于行星架在減速機中起著傳遞巨大扭矩的作用，對其強度有較高要求，因此主要對行星架結構的應力應變情況進行分析。圖4～9分別給出了一、二、三級行星架的靜力學分析云圖。

圖4 額定工況下一級行星架位移及應力情況

圖5 極限工況下一級行星架位移及應力情況

圖6 額定工況下二級行星架位移及應力情況

圖7 極限工況下二級行星架位移及應力情況

圖8 額定工況下三級行星架位移及應力情況

圖9 極限工況下三級行星架位移及應力情況

經過對各級行星架結構靜力學有限元分析可知，在額定工況及極限工況時行星架的最大綜合位移與最大等效應力如表1所列。由表可知，行星架的最大等效應力為242.62 MPa，小于行星架材料ZG42CrMo的屈服極限510 MPa，三級行星架強度均滿足要求。第三級行星架綜合位移較一、二級更大，最大位移為0.196 5 mm，均滿足設計要求。

表1 各工況下行星架綜合位移與等效應力

3 試驗驗證

3.1 試驗方案

對每一臺減速機進行空載試驗與加超載試驗，空載試驗試驗臺由固定機架、測試減速機及拖動電機組成。其中加超載試驗采用兩臺主驅動減速機同軸對拖，通過電反饋方式進行測試，分別按20%、40%、60%、100%四檔加載，120%、130%、140%三檔超載，試驗系統由拖動電機、增速箱、測試減速機、陪試減速機及加載電機組成。現場設備布置情況如圖10所示。

圖10 試驗現場布置圖

3.2 試驗結果

空載試驗在環境溫度為38℃的環境中進行，輸入扭矩設置為0，即空載狀態，首先進行輸入軸順時針(面對輸入軸)轉動方向試驗，試驗采取的數據如表2所列。之后進行逆時針方向的試驗，試驗采取的數據如表3所列。

表2 順時針方向空載試驗

表3 逆時針方向空載試驗

由表2、3可以看出，進行空載試驗時，減速機正反轉各50 min，最高溫升出現在輸入油封處，為13 ℃，且在試驗過程中減速機整體無異響，潤滑油及冷卻水無滲漏情況出現，各項性能指標滿足要求，整體呈合格狀態。

加超載試驗在環境溫度為28 ℃的環境中進行，輸入轉速恒定為2 000 r/min，輸入扭矩按照表4、5所列進行設置，同樣按照空載時的試驗方案進行順、逆針方向的試驗，試驗所采數據如表4、5所列。

表4 順時針方向加超載試驗

表5 逆時針方向加超載試驗

由表4、5可以看出，進行加超載試驗時，減速機在2 000 r/min的轉速下各進行正反轉，在不同扭矩值下的工作時間如表所示，可以看出油溫與齒圈溫度波動較大，溫升分別為7.5 ℃與5.4 ℃，而進出水溫度維持較為穩定，冷卻效果符合預期，同時在試驗過程中無異響、滲透等情況發生，各項性能指標合格。

試驗結果表明，本文研制的行星架結構可在減速中起到良好的運行效果，各項指標滿足行業規定，目前也已成功量產，待進一步在工程應用中得到檢驗。文中研制的主驅動減速器實物如圖11所示。

圖11 主驅動減速機實物

4 結 論

(1)在極限工況下，減速機行星架的最大等效應力為242.62 MPa，小于行星架材料的屈服極限510MPa，三級行星架強度均滿足要求。第三級行星架綜合位移較一、二級更大，最大位移為0.1965 mm，均滿足設計要求。

(2)此文開展了減速機空載、加超載試驗，試驗結果表明該型減速機各密封部位無滲漏、無異響出現，溫升、振動等性能指標均滿足技術要求。研制的減速機行星架結構可在盾構機中起到良好的運行效果，各項性能指標滿足相關標準。