大直径(φ 11.58 m)盾构机刀盘驱动装置用回转支承国产化的探讨

陈佳璋上海市第二市政工程有限公司,上海

1 前言

盾构掘进机是实现掘进、出土、洞壁支护等一次开挖成洞隧道施工的关键设备。从上世纪90年代开始,因城市地铁隧道和大型越江公路隧道建设的需要,我国先后从德、法、日等国引进了相当数量的盾构机,用于上海、北京、广州等地的地铁、越江公路隧道的施工。近年来,随着国家与社会经济的发展,国内省会或经济发达的城市,均先后开始建造城市地铁交通和公路隧道。因此,对盾构机的需求大增。为逐步改变“洋盾构”一统天下的局面,曾先后有上海、河南等地的单位研制了国产盾构机,满足了一部分市场的需要。但就国产盾构机中的关键部件——刀盘的驱动装置(包括回转支承)仍依赖进口,由于国外厂商对该类产品一般是单件定制生产,生产周期长,价格昂贵,一定程度上制约了国内盾构机的发展。本文拟从日本引进的φ 11.58 m盾构机及其回转支承的使用、强度、制造工艺等有关问题予以总结,希望对今后盾构机关键部件的国产化的国内同行有所裨益。

2 刀盘的驱动系统与回转支承结构

盾构刀盘驱动装置的特点是传递功率与转矩大、转速低、要求可靠性高。φ 11.58 m盾构机刀盘驱动系统的主要参数见表1。

图1所示为盾构的刀盘驱动装置的结构布置图。图2所示为三排滚柱式回转支承的结构简图。

表1 φ 11.58 m盾构刀盘驱动系统参数系Table 1 φ 11.58 m cutting wheel drive systemdata

图1 刀盘驱动装置结构布置图Fig.1 Arrangement of cutting wheel drive system

3 回转支承外啮合齿轮副的强度验算

图2 三排滚柱式回转支承结构简图Fig.2 Diagram of three-row roller swing bearing

小齿轮(行星减速器输出的)材料为SCM430(相当于我国的 20CrMnMo、20CrMnTi),渗碳、整体淬火,齿面硬度HRC58～62,芯部硬度HRC34～38,有效硬化层深度：DC=2.6±0.2 mm;精度7级(GB/T 10095—2008),磨齿。回转支承大齿轮材料为SCM445(相当于我国的40CrMo)调质表淬钢,设计要求开齿调质硬度HB260～300,齿面高频(沿齿根连续加热)淬火硬度HRC54～58,精度10级(GB/T 10095—2008)。根据文献[1],齿轮接触,弯曲强度验算结果见表3。

由表1和表3,盾构机的主参数和强度验算结果可知,采用速比143.3的三级串联式2k～h型行星齿轮减速器,充分利用了行星传动的优越性。另外,回转支承的外齿轮采用开齿调质表淬工艺,强度裕度较合理。

4 回转支承滚动轴承的寿命验算和检测

根据本公司对盾构机在上海等地区施工实测的数据分析,并参照国外资料[2][3],盾构机工况与载荷比等的数据见表4。轴承的额定动负荷C与额定静负荷C0值见表5。

回转支承轴承以额定动负荷和额定静负荷(刀盘工作转速小于10 m/s)验算其寿命。验算结果见表6。

据[2]提供的资料,回转支承的滚动轴承寿命为5000小时,但本公司使用本盾构机已完成了上海大连路、复兴东路、翔殷路3条越江公路隧道的施工,轴承的累计工作时间为4900小时(接近5000小时的质保期),按此工作时间回转支承已将到终止使用的寿命。经过上述理论计算和本公司多年隧道施工实践所积累的数据和经验,再会同上海市机械工程学会的专家们和有关专业厂商的分析,实测齿轮和轴承的硬度、磨损、轴向、径向间隙等数据,均在正常范围之内(见表7、表8、表9),认为该回转支承可继续使用。后再经西藏南路越江隧道(2010年上海世博会专用越江公路隧道)和虹桥交通枢纽站仙霞路隧道施工共累计约3300小时,6条隧道总共约8200小时的使用后,回转支承及其齿轮未出现损伤、失效。

表3 接触、弯曲强度验算结果Table 3 Results of contact and bending strength

表4 盾构机工况与载荷比Table 4 Condition and load ratio of shield machine

表5 轴承的额定动负荷C与额定静负荷C0值Table 5 Dynamic load Cand static load C0of bearing

表6 回转支承轴承验算结果Table 6 Calculation results of swing bearing

5 结语

(1)大直径盾构掘进机驱动装置用回转支承是盾构机的关键部件之一,既行齿轮啮合传动,又有滚动轴承的承载要求,且在施工中受力情况较复杂,要精确计算其寿命有一定难度,国内尚未制定盾构机用回转支承的标准。目前,几乎所有国内的盾构机用回转支承仍依赖进口。

表7 回转支承整体检测数据Table 7 Swingbeating whole detection data

表8 回转支承拆卸后A环与齿圈(图2)的检测数据Table 8 Race A and gear race(fig.2)detection data of separated swing bearing

表9 回转支承拆卸后B环(图2)的检测数据Table 9 Race B(fig.2)detection data of separated swingbearing

(2)本文作者根据多年来从事地下工程机械的研制和引进盾构机施：的经验对回转支承进行理论分析利实际应用的总结,供国内同行的进一步探讨,并期望早日实现盾构机及其驱动装置(含回转支承)的国产化。

[1]齿轮减速器的结构与计算[J].上海：上海科技出版社,1982

[2]光洋精工株式会社[日]进口随机附件

[3]石川岛播磨重工业株式会社[日]进口随机附件

[4]朱孝录.齿轮传动设计手册[J].北京：化学工业出版社,2005