大直徑(φ 11.58 m)盾構機刀盤驅動裝置用回轉支承國產化的探討

陳佳璋上海市第二市政工程有限公司,上海

1 前言

盾構掘進機是實現掘進、出土、洞壁支護等一次開挖成洞隧道施工的關鍵設備。從上世紀90年代開始,因城市地鐵隧道和大型越江公路隧道建設的需要,我國先后從德、法、日等國引進了相當數量的盾構機,用于上海、北京、廣州等地的地鐵、越江公路隧道的施工。近年來,隨著國家與社會經濟的發展,國內省會或經濟發達的城市,均先后開始建造城市地鐵交通和公路隧道。因此,對盾構機的需求大增。為逐步改變“洋盾構”一統天下的局面,曾先后有上海、河南等地的單位研制了國產盾構機,滿足了一部分市場的需要。但就國產盾構機中的關鍵部件——刀盤的驅動裝置(包括回轉支承)仍依賴進口,由于國外廠商對該類產品一般是單件定制生產,生產周期長,價格昂貴,一定程度上制約了國內盾構機的發展。本文擬從日本引進的φ 11.58 m盾構機及其回轉支承的使用、強度、制造工藝等有關問題予以總結,希望對今后盾構機關鍵部件的國產化的國內同行有所裨益。

2 刀盤的驅動系統與回轉支承結構

盾構刀盤驅動裝置的特點是傳遞功率與轉矩大、轉速低、要求可靠性高。φ 11.58 m盾構機刀盤驅動系統的主要參數見表1。

圖1所示為盾構的刀盤驅動裝置的結構布置圖。圖2所示為三排滾柱式回轉支承的結構簡圖。

表1 φ 11.58 m盾構刀盤驅動系統參數系Table 1 φ 11.58 m cutting wheel drive systemdata

圖1 刀盤驅動裝置結構布置圖Fig.1 Arrangement of cutting wheel drive system

3 回轉支承外嚙合齒輪副的強度驗算

圖2 三排滾柱式回轉支承結構簡圖Fig.2 Diagram of three-row roller swing bearing

小齒輪(行星減速器輸出的)材料為SCM430(相當于我國的 20CrMnMo、20CrMnTi),滲碳、整體淬火,齒面硬度HRC58～62,芯部硬度HRC34～38,有效硬化層深度：DC=2.6±0.2 mm;精度7級(GB/T 10095—2008),磨齒。回轉支承大齒輪材料為SCM445(相當于我國的40CrMo)調質表淬鋼,設計要求開齒調質硬度HB260～300,齒面高頻(沿齒根連續加熱)淬火硬度HRC54～58,精度10級(GB/T 10095—2008)。根據文獻[1],齒輪接觸,彎曲強度驗算結果見表3。

由表1和表3,盾構機的主參數和強度驗算結果可知,采用速比143.3的三級串聯式2k～h型行星齒輪減速器,充分利用了行星傳動的優越性。另外,回轉支承的外齒輪采用開齒調質表淬工藝,強度裕度較合理。

4 回轉支承滾動軸承的壽命驗算和檢測

根據本公司對盾構機在上海等地區施工實測的數據分析,并參照國外資料[2][3],盾構機工況與載荷比等的數據見表4。軸承的額定動負荷C與額定靜負荷C0值見表5。

回轉支承軸承以額定動負荷和額定靜負荷(刀盤工作轉速小于10 m/s)驗算其壽命。驗算結果見表6。

據[2]提供的資料,回轉支承的滾動軸承壽命為5000小時,但本公司使用本盾構機已完成了上海大連路、復興東路、翔殷路3條越江公路隧道的施工,軸承的累計工作時間為4900小時(接近5000小時的質保期),按此工作時間回轉支承已將到終止使用的壽命。經過上述理論計算和本公司多年隧道施工實踐所積累的數據和經驗,再會同上海市機械工程學會的專家們和有關專業廠商的分析,實測齒輪和軸承的硬度、磨損、軸向、徑向間隙等數據,均在正常范圍之內(見表7、表8、表9),認為該回轉支承可繼續使用。后再經西藏南路越江隧道(2010年上海世博會專用越江公路隧道)和虹橋交通樞紐站仙霞路隧道施工共累計約3300小時,6條隧道總共約8200小時的使用后,回轉支承及其齒輪未出現損傷、失效。

表3 接觸、彎曲強度驗算結果Table 3 Results of contact and bending strength

表4 盾構機工況與載荷比Table 4 Condition and load ratio of shield machine

表5 軸承的額定動負荷C與額定靜負荷C0值Table 5 Dynamic load Cand static load C0of bearing

表6 回轉支承軸承驗算結果Table 6 Calculation results of swing bearing

5 結語

(1)大直徑盾構掘進機驅動裝置用回轉支承是盾構機的關鍵部件之一,既行齒輪嚙合傳動,又有滾動軸承的承載要求,且在施工中受力情況較復雜,要精確計算其壽命有一定難度,國內尚未制定盾構機用回轉支承的標準。目前,幾乎所有國內的盾構機用回轉支承仍依賴進口。

表7 回轉支承整體檢測數據Table 7 Swingbeating whole detection data

表8 回轉支承拆卸后A環與齒圈(圖2)的檢測數據Table 8 Race A and gear race(fig.2)detection data of separated swing bearing

表9 回轉支承拆卸后B環(圖2)的檢測數據Table 9 Race B(fig.2)detection data of separated swingbearing

(2)本文作者根據多年來從事地下工程機械的研制和引進盾構機施：的經驗對回轉支承進行理論分析利實際應用的總結,供國內同行的進一步探討,并期望早日實現盾構機及其驅動裝置(含回轉支承)的國產化。

[1]齒輪減速器的結構與計算[J].上海：上海科技出版社,1982

[2]光洋精工株式會社[日]進口隨機附件

[3]石川島播磨重工業株式會社[日]進口隨機附件

[4]朱孝錄.齒輪傳動設計手冊[J].北京：化學工業出版社,2005