盾构管片拼装机平移机构滚轮轴承

焦阳，周琳，张彦合

(洛阳LYC轴承有限公司 技术中心，河南 洛阳 471039)

管片拼装机是盾构设备的重要组成部分，安装在尾盾，是进行隧道管壁混凝土片拼装、衬砌作业的专用装置。其主要功能是随着盾构设备的不断掘进，平稳、快速、准确地将预制的隧道管壁混凝土片按要求拼装于开挖出的隧道内壁四周[1]，形成衬砌，用以支护刚开挖出的隧道表面，其拼装质量直接影响着地下水的渗透和地表沉降。管片拼装机平移机构负责实现管壁混凝土片在隧道掘进方向的前进和后退动作，要求其转动灵活、运行稳定、引导精确。

1 安装位置

如图1所示，2个沿盾构轴向且平行地固定在盾构机壳体上的悬臂梁之间装设有中间横梁，中间横梁两端分别与左右2个悬臂梁固接以增加结构的刚度[2]。安装在固定盘体上的交叉滚轮轴承作为平移机构的支承，在悬臂梁的上、下表面滚动，同时与轨道的侧面相接触。滚轮轴承一方面支持平移机构在轨道上沿掘进方向移动；另一方面作为导向，控制平移机构在两侧面导轨上的移动，从而实现管片拼装机沿盾构前进方向的平移和导向。

1—管片配重；2—提升油缸；3—交叉滚轮轴承；4—中间横梁；5—管片转动油缸；6—管片倾斜油缸；7—中心球关节轴承；8—转动平台；9—提升横梁；10—导向内套；11—导向外套图1 管片拼装机结构示意图

2 结构

平移机构滚轮轴承在工作时既要承受机构的重量和冲击，同时又要给予机构沿掘进方向移动时的引导，即轴承需同时承受2个方向的载荷并在2个方向实现转动。该轴承为由两轴线相交成90°的大、小滚轮轴承组成的交叉滚轮轴承(图2)。大滚轮轴承安装于轴座的圆柱面上，主要用来承受平移机构的重量和冲击载荷，为双列满装圆柱滚子滚轮轴承。小滚轮轴承位于轴座内的U形槽内，其外组件安装于穿插在轴座上的芯轴上，用于实现平移机构两侧的引导，为四列满装圆柱滚子滚轮轴承。同时为了便于安装，将安装凸缘与轴座设计为一体，最终形成一种自带安装凸缘的交叉滚轮轴承。

1—大滚轮轴承外圈；2—大滚轮轴承滚子；3—大滚轮轴承内圈；4—螺钉；5—小滚轮轴承挡圈；6—小滚轮轴承外圈；7—小滚轮轴承滚子；8—挡盖；9—芯轴；10—O形密封圈；11—轴座图2 平移机构滚轮轴承的总体结构示意图

大滚轮轴承的设计与一般轴承不同，它在工作过程中外圈只在1个或2个角位置受力，除了发生与常规轴承相同的接触变形外，还存在着外圈(甚至整个轴承)的弯曲变形。轴承受力时，轴承内部会由于外圈的弯曲变形而引起载荷分布发生变化，使其承载能力降低。因此在保证基本额定载荷的前提下，使轴承获得最大抗弯曲变形能力，即取得最厚的外圈壁厚是滚轮轴承设计的一个重要特点。起引导作用的小滚轮轴承受力较小，以保证引导精度为设计要点。

整个轴承通过轴座上的凸缘安装于盾构管片拼装机的平移机构上。轴座上的凸缘开有若干沉孔及螺纹孔以便对轴承进行安装与定位。轴座的安装面上挖有一圆形槽，一方面减轻了轴承重量；另一方面减小了安装面的加工面积，降低了加工难度，如图3所示。轴座上的圆柱面与大滚轮轴承内圈相配合，该圆柱面上还有2个用于穿插芯轴的圆柱孔；轴座的另一端面开有螺钉孔，用于连接挡盖。

图3 平移机构滚轮轴承轴座结构示意图

芯轴穿插于轴座上，与小滚轮轴承外组件配合。芯轴两端为圆弧形，其曲率半径与轴座圆柱面曲率半径一致，以便与大滚轮轴承内圈配合安装。芯轴两圆弧端面上沿圆弧方向加工有油槽以方便轴座圆弧形槽中润滑油的通过；并且其内部有与外部圆弧端面油槽相连的油孔，以保证润滑油顺利进入小滚轮轴承内部。芯轴的结构如图4所示。

图4 平移机构滚轮轴承芯轴结构示意图

目前国外盾构机平移机构上广泛使用的轴承的安装凸缘和轴座是分离的，同时轴承的导向是通过安装在轴座上的一个回转圆柱体在悬臂梁侧面上的运动来完成的。但这种轴承结构存在着以下缺点：(1)安装时需要将轴座整体焊接在一个安装凸缘上，安装困难，拆卸也很不方便；(2)导向的圆柱体的工作面加工比较困难，精度较差，摩擦阻力较大，运动不够平稳，引导的精度也受到影响。

3 润滑与密封

轴座端面圆形槽内有2个沉头螺纹孔用以安装为轴承注油的油杯，螺纹孔底开有通向圆柱面上圆弧槽的油孔。注入圆弧槽中的油一方面通过大滚轮轴承内圈上的油孔进入大滚轮轴承内部为其润滑，另一方面通过芯轴上的油孔进入小滚轮轴承内部为其润滑。

如图5所示，大滚轮轴承内圈挡边外径面及挡盖外径面上均加工有槽，槽内安装O形密封圈。O形密封圈与大滚轮轴承外圈挡边接触，形成接触式密封，从而防止润滑油流出。挡圈通过螺钉连接在轴座上，充当大滚轮轴承挡边，防止大滚轮轴承从轴座上脱落。

图5 平移机构滚轮轴承挡盖结构示意图

小滚轮轴承挡圈为阶梯形薄壁结构。一方面其与小滚轮轴承外圈阶梯形挡边形成迷宫密封，防止小滚轮轴承中的润滑油流出；另一方面它位于轴座与小滚轮轴承之间，为小滚轮轴承进行定位，减小其窜动，从而保证管片拼装机的运动平稳、精确。

4 结论

(1)盾构管片拼装机平移机构滚轮轴承将安装凸缘和轴座做成一体，克服了目前国外该类型轴承需焊接安装的缺点，实现了轴承的重复拆卸与安装，结构也更加合理、紧凑，提高了整体强度。

(2)该轴承在芯轴上安装小滚轮轴承对平移机构两侧进行导向，降低了摩擦力矩，提高了自身的回转灵活性和引导精度。

(3)设计了一种新颖的油孔布置方式，可同时为大、小滚轮轴承提供润滑，提高了轴承的可靠性和可维护性。