土壓平衡盾構主軸承的結構設計分析

吉冰旭，周 琳，徐紹仁，許明奇，謝興會

（洛陽LYC軸承有限公司 技術中心，河南 洛陽 471039）

盾構機代表了隧道掘進裝備的發展方向。隨著國民經濟和城市建設的快速發展，地下空間的開發利用越來越迫切，對盾構機的市場需求日益劇增，我國正在成為世界上盾構機需求量最大的國家。用盾構機進行隧道作業，具有自動化程度高，節省人力，施工速度快，一次成洞，不受氣候影響，開挖時可控制地表沉降，減少對地面建筑物的影響和在水下開挖時不影響水面交通等特點。

土壓平衡盾構主軸承（簡稱盾構主軸承）是盾構機的關鍵部件，使用在盾構刀盤系統上。由于盾構機在既定施工段不允許失效，盾構主軸承的壽命和可靠性直接影響盾構機械的施工安全。盾構主軸承在重載、變載條件下工作，要承受軸向力、徑向力、傾覆力矩等復合載荷。

土壓平衡盾構機主要應用于軟性黏土，但考慮到復合型的土壓平衡盾構機應用時可能遇到復雜地質狀況，高承載能力仍是設計的關鍵。為了保證軸承達到預期的性能及壽命，它的高可靠性以及高承載能力、高密封性能、高精度均為設計、制造的追求目標。下面將對盾構主軸承的結構設計進行分析。

1 軸承結構

盾構主軸承是豎直放置，需要承受軸向力、徑向力、傾覆力矩等復合載荷，目前國外都采用三排圓柱滾子組合軸承結構。圖1為盾構主軸承的結構圖，內圈為整體帶齒套圈，外圈為雙半套圈組合結構。圖1中，上排滾子承受軸向力，下排滾子承受傾覆力矩產生的反向推力，徑向滾子承受徑向力。該軸承受力非常明確，容易得到準確的計算結果，而且上、下滾道面均為平面，加工精度也容易保證，測量相對簡單，易獲得高的旋轉精度，從而保證軸承的可靠性。目前在國外機型上這種結構軸承大量采用。

圖1 三排圓柱滾子組合盾構主軸承

但圖1軸承內圈的安裝孔為通孔，限制了滾子的長度。近年來，主機減小了安裝空間，調小了內、外圈安裝孔距離，減小了軸承厚度，將內圈安裝孔由通孔改為帶螺紋的盲孔結構。如此以來，主推力滾子長度可以加長。改變后的軸承結構如圖2所示。

圖2 新結構盾構主軸承

2 設計原則

2.1 材料的選擇

目前，國外對于該軸承套圈的材料均采用42CrMoV，相當于我國的42CrMo，調質處理，硬度為229～269 HB，無損探傷級別按JB／T5000.15—1998中的Ⅱ級標準執行。

2.2 設計指標

軸承主參數設計時應考慮安全系數和壽命指標。

在盾構主軸承的受力中，承受最大的是軸向力，傾覆力矩相對較小，因此重要的是主推力滾道安全系數的選擇。主推力滾道安全系數一般最小，實際設計中，參考國外設計主推力滾道安全系數應達到1.2以上；反推力滾道安全系數較大，一般都可以達到1.4以上；徑向滾道安全系數應在1.35以上。

由于盾構工作的特殊性，主軸承一旦開始挖掘，出了問題幾乎無法拆卸，因此軸承的可靠性和壽命非常關鍵，目前，國外對盾構主軸承壽命的要求是10 000 h或者10 km。

2.3 軸承精度

為保證盾構主軸承的穩定運轉和受力均勻，軸承各配合面公差應按7級控制，各配合面之間對同軸度都有一定的要求。裝配后軸承的旋轉精度應達到P5。國外軸承的成品精度遠高于P5。

2.4 軸承密封結構

盾構主軸承的油孔類型多，除了兩排軸承自用的兩種油孔外，還有數種油孔供軸承安裝部件用。軸承的密封主要在于防止雜物如沙土等從軸承端面及外徑、外圈兩半端面處進入，同時也為防止潤滑油的泄漏。所采取的密封主要為：軸承端面與軸承安裝座之間有兩道密封槽；在兩半外圈的中間有兩道密封；每個油孔的外面都設有環形槽來防止各個油路潤滑油的互通。在兩半外圈面之間，還應該涂有密封膠來保證貼合緊密。主軸承密封位置如圖1所示。

2.5 軸承軟帶位置的可靠性

普通三排圓柱滾子組合軸承的兩半套圈的軟帶位置，是放在一處或者呈180°放置，軸承安裝時軟帶位置與軸承的受力作用線相隔90°。這種軟帶位置的放法，只能保證軟帶位置在載荷較小處，而不能確保上、下兩滾道的軟帶都在載荷最小處。

針對盾構主軸承的受力特點，其軟帶位置的設計如圖3所示。對于主推力滾道，載荷最小的位置應該在最上方，故軟帶位于最上方；對于反推力滾道，則受力最小的位置在最下方，軟帶位置應放最下方。這種有針對性的設計確保軸承軟帶位置在載荷最小處，提高了軸承的可靠性。

圖3 主軸承軟帶位置圖

2.6 軸承滾道和擋邊熱處理

JB／T10471—2004《滾動軸承 轉盤標準》中規定滾道硬度為55～62 HRC，為提高軸承的承載能力和壽命，滾道硬度應在57 HRC以上。

軸承豎直使用，為提高保持架的引導精度，減小其與擋邊的摩擦，軸承的擋邊也應進行淬火并磨削。為避免二次淬火后影響滾道的硬度，滾道和擋邊可同時淬火。

2.7 保持架結構

2.7.1 軸向保持架

普通三排圓柱滾子軸承的軸向保持架有鋁制或銅制輪番兜孔（半圓弧兜孔）和帶支腳的直兜孔鋼制保持架兩種形式。這兩種保持架，在水平放置的軸承上應用比較合適，而在豎直放置的軸承上使用時，和擋邊摩擦比較嚴重。對于豎直使用的盾構主軸承保持架，可采取以下兩種方案。

對于軸向位置充足的軸承結構，可采用分段鋼制直兜孔保持架，并在保持架的上、下端面焊接銅塊，以保證保持架和滾子同心并減小保持架和滾道面的摩擦和磨損（圖4）。保持架內、外徑焊接銅塊可以減小保持架和擋邊的摩擦及磨損。這種保持架既有足夠的強度，又有好的經濟性，是廣泛采用的結構。

圖4 軸向保持架結構圖

對于軸向空間不足的軸承結構（圖2），可采用全銅分段直兜孔保持架。保持架實體和上、下支腳以及內、外減磨塊一起鑄出，這樣可以減小保持架內、外徑方向的壁厚；同時因為不用留焊接位置，可以減小保持架的梁寬，有效地提高了軸承的承載能力。對于尺寸小的盾構主軸承，可以做成整體保持架。

2.7.2 徑向保持架

對于徑向保持架，可根據滾子直徑的大小選擇分段帶銅鑲塊的直兜孔鋼制保持架或全銅直兜孔保持架（圖5）。

2.8 齒輪表面處理

盾構主軸承齒輪的齒面和齒根應進行淬火，齒面硬度為50～60 HRC，齒根硬度達45 HRC以上。

圖5 徑向保持架結構圖

3 結束語

根據以上盾構主軸承的結構分析和設計原則，已完成了2.6 m盾構主軸承133.90.2245.03的設計和制造，設計參數指標與國外先進公司水平相當，可以滿足土壓平衡盾構主機要求。尤其在滾道和擋邊、軟帶位置和保持架結構的設計方面具有國際先進水平。