敞開式TBM主驅動設計分析

高海杰，丁永強

(北方重工集團有限公司 盾構機分公司，遼寧 沈陽 110141)

1 工程概況

遼西北供水工程6#標段，隧洞全長15410m，橫斷面型式為圓型，經計算主洞TBM掘進洞段成洞洞徑凈斷面尺寸(直徑)D＝7.51m，開挖直徑D＝8.5m。敞開式TBM參數見表1。

表1 敞開式TBM的參數

2 主驅動支承結構

敞開式TBM主驅動支承結構的主要功用是支承刀盤及驅動電機，刀盤主驅動支承結構的四周裝有護盾裝置。TBM在掘進作業時，由于巖石的不均勻性，常引起機器頭部的劇烈振動，刀盤護盾裝置起著穩定刀盤和圍巖的作用，防止掘進時刀盤可能的振動。刀盤的穩定對于滾刀在同一軌跡連續切削十分有利，也保證了主軸承處于良好的工作狀態。刀盤護盾的其它作用是保護刀盤與機器前部，必要時還輔助掘進機的調向。

敞開式TBM主驅動支承結構尺寸是由大軸承外徑、周邊護盾運動形式、刀盤驅動電機數量以及大齒圈傳動副等因素來決定。TBM主驅動及周邊護盾裝配如圖1所示。

圖1 TBM主驅動及周邊護盾裝配

3 主驅動系統

主驅動系統是刀盤轉動驅動力的來源，動力傳遞形式可以簡化為圖2。主驅動由刀盤轉接環、大軸承、驅動支承結構、大齒圈、小齒輪及驅動電機減速機等組成，按照精密的安裝尺寸來控制大齒圈與小齒輪的嚙合間隙，以保證傳動的平穩性。8.53m敞開式TBM主驅動結構如圖3。

圖2 動力傳動系統

圖3 TBM主驅動內部結構及組成

4 主驅動傳動齒輪副設計計算

4.1 刀盤轉速及主驅動系統速比的設定

刀盤轉速由刀盤的最大線速度確定，實踐表明，刀盤最大線速度v<2.5m/s。超過此線速度，邊滾刀迅速損壞。因此，刀盤的最高轉速計算如下

一般先從變頻電機的額定轉速n1和刀盤的極限轉速n2max確定刀盤驅動系統的總速比i，再分配給行星減速機i1及齒輪副i2，然后根據幾何尺寸和強度計算的許可值確定正確的刀盤轉速。由于減速比分配考慮因素較多，在這里就不做詳細說明，從參數表中可以得到i2。

4.2 大齒圈、小齒輪變位設計及變位系數分配

TBM施工過程中，在刀盤破碎巖石的一瞬間，刀盤受巖石的反作用沖擊載荷是相當大的，齒輪副屬于重載閉式齒輪傳動。因此在設計齒輪副時，要考慮到齒面接觸強度及齒根彎曲強度能長時間滿足TBM施工要求。

8.53m敞開式TBM驅動電機在主驅動支承結構上的布置位置與旋轉中心距離為2196mm，實際上就是大齒圈與小齒輪的安裝中心距。按照標準大小齒輪來計算齒輪副的中心距。

這樣就需要大小齒輪進行變位湊中心距方法來滿足結構及性能要求，選擇變位系數x1+x2>0的正變位（俗稱角度變位），來增加齒輪副的嚙合角，進而增強齒輪副齒面接觸強度和輪齒的彎曲強度。

本項目中變位系數x1、x2分配原則：①該項目中是潤滑條件良好的閉式齒輪傳動，小齒輪表面硬度HBS＞350時，常因齒根疲勞裂紋的擴展造成輪齒折斷而使傳動失效，選擇變位系數應使齒輪的齒根彎曲強度盡量增大，并盡量使相嚙合的兩齒輪具有相近的彎曲強度；②重載齒輪傳動的齒面易產生膠合破壞，除了要選擇合適的潤滑油粘度，或采用含有添加劑的活性潤滑油等措施外，應用變位齒輪時，應盡量增大傳動的嚙合角(即增大總變位系數Σx)，并適當分配變位系數x1和x2，以使最大滑動率接近相等，這樣不僅可以增大齒面的綜合曲率半徑，減小齒面接觸應力，還可以減小最大滑動率以提高齒輪的抗膠合能力。

通過機械設計手冊中角變位齒輪傳動的公式計算，及對小齒輪變位系數修正計算后，取x1=0.636；x2=Σx-x1=1.361185-0.636=0.725。

最終得出大齒圈及小齒輪幾何參數：大齒圈齒頂圓直徑為4026mm；小齒輪齒頂直徑為443mm。

5 結 語

TBM主驅動設計是世界每個隧道掘進機制造廠商的核心技術，本文主要介紹主驅動齒輪副變位設計及齒輪變位系數選取，為類似設計工作提供參考。