1 概述
近年來(lái)，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，隨著人口密集度和交通壓力的增加，各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程不斷展開(kāi)，軌道交通、市政管網(wǎng)、水利等將建設(shè)大量隧道，而有“地下航母”之稱(chēng)的盾構(gòu)機(jī)在其中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。盾構(gòu)機(jī)齒輪減速器是盾構(gòu)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)或液壓馬達(dá)之間的減速傳動(dòng)裝置。盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)核心齒輪減速器主要有刀盤(pán)主驅(qū)動(dòng)減速器、螺旋輸送減速器和管片拼裝減速器。
盾構(gòu)機(jī)齒輪減速器是典型的高功率密度中小型行星齒輪裝置。其工況特點(diǎn)是：連續(xù)工作，變速、變載、工作條件惡劣、伴有一定沖擊載荷，要求可靠度高。本章將介紹盾構(gòu)機(jī)齒輪減速器常用傳動(dòng)形式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，內(nèi)容僅供設(shè)計(jì)時(shí)參考。
2 刀盤(pán)主驅(qū)動(dòng)減速器
刀盤(pán)主驅(qū)動(dòng)減速器主要用于傳遞扭矩、控制轉(zhuǎn)速，以驅(qū)動(dòng)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)掘進(jìn)。通常由多臺(tái)同規(guī)格行星減速器同步驅(qū)動(dòng)，其傳動(dòng)比多在 i=15～200 范圍內(nèi)，采用兩級(jí)或三級(jí)行星結(jié)構(gòu)。減速器按輸出形式分為行星架花鍵輸出和齒輪軸輸出兩種
該系列減速器通常由水冷裝置、 NGW 行星齒輪裝置組成。部分主驅(qū)動(dòng)減速器在輸入端設(shè)計(jì)有制動(dòng)器。
以上主驅(qū)動(dòng)減速器設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)為:
由于主驅(qū)動(dòng)減速器的安裝使用空間有限、散熱能力差，長(zhǎng)期使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，若損耗能量不能及時(shí)散發(fā)，將會(huì)導(dǎo)致減速器內(nèi)部油溫急劇升高，進(jìn)而影響減速器的潤(rùn)滑性能；嚴(yán)重情況下，齒輪和軸承將承受較高的熱載荷和較大的熱膨脹，從而使得齒側(cè)間隙和軸承游隙減小，造成潤(rùn)滑油膜破裂，引發(fā)齒面和軸承表面熱膠合失效，最終導(dǎo)致減速器故障。設(shè)計(jì)一種高可靠性連續(xù)循環(huán)水冷裝置來(lái)解決熱平衡及溫升控制就至關(guān)重要。該系列減速器在輸入高速端采用內(nèi)置冷卻水箱設(shè)計(jì)，通過(guò)循環(huán)流動(dòng)的冷卻水帶走一部分減速器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，從而實(shí)現(xiàn)散熱功能。
(a) 冷卻水箱承壓要求 0.5～1MPa，不允許有任何滲漏情況發(fā)生。推薦采用焊接式或整體鑄造箱體，注意焊縫及鑄造缺陷控制；箱體需進(jìn)行密封性保壓試驗(yàn)，壓力控制在 0.5～1MPa，保壓 60～120min。
(b) 減速器熱功率計(jì)算參照GB/T33923 標(biāo)準(zhǔn)；由于減速器冷卻水與電機(jī)水路串聯(lián)，整個(gè)系統(tǒng)冷卻計(jì)算涉及的流量、溫度應(yīng)充分匹配。冷卻箱體內(nèi)部熱交換面積將在一定程度上決定其具體構(gòu)造。
(c) 冷卻水腔內(nèi)部表面為滿(mǎn)足較高的防腐、防銹要求，推薦采用涂漆鍍層等技術(shù)；且具有一定的加工友好性，對(duì)后續(xù)精加工無(wú)較大影響。
(d) 冷卻水箱密封潛在失效點(diǎn)盡可能布置在齒輪箱外端，避免滲漏后冷卻水直接與潤(rùn)滑油接觸；同時(shí)需考慮設(shè)計(jì)有冷卻水滲漏監(jiān)測(cè)接口，便于定時(shí)巡檢。
(2) 齒輪參數(shù)選取
為了提高減速器的功率密度， 行星輪系常采用 3～4 分流， 低速級(jí)小速比、 大模數(shù)設(shè)計(jì)。太陽(yáng)輪、 行星輪采用低碳合金鋼， 滲碳淬火， 齒面硬度為 58～62HRC， 芯部硬度 30～42HRC，齒面磨削達(dá) GB/T10095 的 5 級(jí)或 6 級(jí)；同時(shí)為提高其齒根彎曲強(qiáng)度、齒根采用強(qiáng)化噴丸處理；內(nèi)齒圈采用調(diào)質(zhì)鋼，齒面氮化處理，硬度為≥600HV。對(duì)行星輪和太陽(yáng)輪進(jìn)行修形和修向，可一定程度的降低齒面載荷分布系數(shù)，避免偏載造成的應(yīng)力集中；同時(shí)降低齒輪嚙合沖擊而產(chǎn)生的噪聲。
(3) 軸承配置
為滿(mǎn)足變載荷工況使用，高速行星級(jí)其行星輪推薦配置帶保持架的滾子軸承，盡可能的避免高速離心加速度的不良影響；低速行星級(jí)載荷大、轉(zhuǎn)速低，行星輪軸承布置空間嚴(yán)重受限，通常配置高承載無(wú)外圈滿(mǎn)裝滾子軸承， 滾動(dòng)體及內(nèi)圈推薦黑化或金剛石等涂層方式處理，可解決滿(mǎn)裝滾子軸承在空載條件下滾動(dòng)體打滑及在低速情況下滾動(dòng)體潤(rùn)滑油膜形成困難等難題，進(jìn)一步降低滾動(dòng)體磨損風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)軸承使用壽命；作為外滾道的行星輪內(nèi)孔有著較高的精度要求，內(nèi)孔滾道表面硬度≥58HRC，粗糙度 Ra 推薦 0.2～0.4μ m，同時(shí)，注意磨削裂紋控制。
(4) 浮動(dòng)機(jī)構(gòu)及軸向間隙
高速行星級(jí)、中間行星級(jí)通常采用太陽(yáng)輪和行星架同時(shí)浮動(dòng)，低速行星級(jí)采用太陽(yáng)輪浮動(dòng)。采用了均載的浮動(dòng)機(jī)構(gòu)，其浮動(dòng)件必須有足夠的軸向間隙，常規(guī)刀盤(pán)主驅(qū)動(dòng)減速器內(nèi)部總軸向間隙推薦 1～2mm。
(5) 減速器的潤(rùn)滑
主驅(qū)動(dòng)減速器通常臥式安裝， 采用浸油潤(rùn)滑， 一般選用 220～320 號(hào)全合成工業(yè)齒輪油；環(huán)境溫度 0℃～20℃時(shí)，加油量推薦至最高和最低油位線(xiàn)的 1/2 處，不同溫度，加油量作相應(yīng)調(diào)整。
3 螺旋輸送減速器
螺旋輸送減速器承擔(dān)著向外運(yùn)輸土石料，保證前端刀盤(pán)順利向前挖掘的任務(wù)，同樣屬于盾構(gòu)機(jī)核心驅(qū)動(dòng)裝置。其傳動(dòng)比多在 i=3～100 范圍內(nèi)，涉及單級(jí)平行齒輪減速器、一級(jí)行星齒輪減速器、二級(jí)行星齒輪減速器和三級(jí)行星齒輪減速器四種結(jié)構(gòu)。減速器按結(jié)構(gòu)形式主要分為 NGW 行星級(jí)和多齒輪并聯(lián)平行級(jí)兩大類(lèi)。
以上螺旋減速器設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)為:
(1) 齒輪參數(shù)選取
NGW 行星級(jí)螺旋輸送減速器行星輪系常采用 3～4 分流傳動(dòng)；多齒輪并聯(lián)平行級(jí)螺旋輸送減速器小齒輪采用 2～3 匯流傳動(dòng)。齒輪采用低碳合金鋼，滲碳淬火，齒面硬度為 58～62HRC，芯部硬度 30～42HRC，齒面磨削達(dá) GB/T10095 的 5 級(jí)或 6 級(jí)；為提高其齒根彎曲強(qiáng)度、齒根采用強(qiáng)化噴丸處理。
(2) 軸承配置
螺旋輸送減速器安裝角度與水平線(xiàn)夾角通常為 20～25°，輸出端需承受外部數(shù)噸徑向力與軸向力，輸出端支撐軸承選型需校核傾斜安裝時(shí)附加軸向力與徑向力影響；同時(shí)關(guān)注傾斜安裝時(shí)輸入端軸承潤(rùn)滑方式與選型。
(3) 極限承壓
為防止盾構(gòu)機(jī)泥水倒灌損壞減速器等關(guān)鍵設(shè)備， 減速器輸出端密封需極限承壓1 MPa。根據(jù)泥水介質(zhì)、壓力等要求進(jìn)行設(shè)計(jì)選材、定制尺寸構(gòu)造與組合形式。
(4) 減速器的潤(rùn)滑
螺旋輸送減速器通常臥式傾斜 20～25°安裝，采用浸油潤(rùn)滑，一般選用 220～320 號(hào)全合成工業(yè)齒輪油；加油量參考箱體上透明油標(biāo)，最低油位需保證輸入密封件與軸承的充分潤(rùn)滑。
4 管片拼裝減速器
通常由 1～2 臺(tái)管片拼裝減速器驅(qū)動(dòng)管片拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)支承，最終完成拼裝襯砌管片的任務(wù)；同時(shí)還具有鎖緊功能。其傳動(dòng)比多在 i=15～50 范圍內(nèi)，主要由摩擦片制動(dòng)器和兩級(jí) NGW 行星齒輪結(jié)構(gòu)組成。
管片拼裝減速器設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)為:
(1) 制動(dòng)器設(shè)計(jì)
輸入端內(nèi)置摩擦片制動(dòng)器，通常設(shè)計(jì)為常閉式，即在未通入高壓油時(shí)，制動(dòng)器處于壓緊抱死狀態(tài)，可用于靜態(tài)制動(dòng)；而在減速器正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，則需持續(xù)通入高壓油以打開(kāi)制動(dòng)器。制動(dòng)器摩擦片傳扭設(shè)計(jì)安全系數(shù)推薦≥1.2，摩擦片脫開(kāi)設(shè)計(jì)安全系數(shù)推薦≥1.5，其中摩擦片脫開(kāi)總間隙推薦≥0.3x2xA(A‐摩擦片數(shù)量)；具體設(shè)計(jì)參考 JB/T 9713、 CB/T 3454 等標(biāo)準(zhǔn)。
(2) 偏心距調(diào)整
為了便于準(zhǔn)確地調(diào)整減速器輸出齒輪與回轉(zhuǎn)支承齒圈之間的齒隙， 輸出法蘭與輸出齒輪采用偏心設(shè)計(jì)，偏心距通常為 1.5～2.5mm。
(3) 軸承配置
減速器所有部件通常采用滾動(dòng)軸承支撐。行星輪采用滾針或滾柱軸承，懸臂輸出齒輪多數(shù)采用調(diào)心滾子或圓錐滾子軸承支撐。
(4) 減速器的潤(rùn)滑
減速器臥式安裝，采用浸油潤(rùn)滑，一般選用 150～220 號(hào)全合成工業(yè)齒輪油；通常加油至減速器中線(xiàn)位置；同時(shí)箱體設(shè)計(jì)時(shí)考慮足夠數(shù)量接口以便減速器安裝角度變化時(shí)調(diào)整安裝油標(biāo)。
