1 概述
近年來，我國國民經(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，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)動電動機(jī)或液壓馬達(dá)之間的減速傳動裝置。盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動核心齒輪減速器主要有刀盤主驅(qū)動減速器、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形式的結(jié)構(gòu)特點，內(nèi)容僅供設(shè)計時參考。
2 刀盤主驅(qū)動減速器
刀盤主驅(qū)動減速器主要用于傳遞扭矩、控制轉(zhuǎn)速，以驅(qū)動盾構(gòu)機(jī)刀盤旋轉(zhuǎn)掘進(jìn)。通常由多臺同規(guī)格行星減速器同步驅(qū)動，其傳動比多在 i=15～200 范圍內(nèi)，采用兩級或三級行星結(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)動減速器在輸入端設(shè)計有制動器。
以上主驅(qū)動減速器設(shè)計的主要特點為:
由于主驅(qū)動減速器的安裝使用空間有限、散熱能力差，長期使用過程中會產(chǎn)生大量的熱量，若損耗能量不能及時散發(fā)，將會導(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)計一種高可靠性連續(xù)循環(huán)水冷裝置來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，通過循環(huán)流動的冷卻水帶走一部分減速器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，從而實現(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，壓力控制在 0.5～1MPa，保壓 60～120min。
(b) 減速器熱功率計算參照GB/T33923 標(biāo)準(zhǔn)；由于減速器冷卻水與電機(jī)水路串聯(lián)，整個系統(tǒng)冷卻計算涉及的流量、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，對后續(xù)精加工無較大影響。
(d) 冷卻水箱密封潛在失效點盡可能布置在齒輪箱外端，避免滲漏后冷卻水直接與潤滑油接觸；同時需考慮設(shè)計有冷卻水滲漏監(jiān)測接口，便于定時巡檢。
(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， 低速級小速比、 大模數(shù)設(shè)計。太陽輪、 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 級或 6 級；同時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。對行星輪和太陽輪進(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；同時降低齒輪嚙合沖擊而產(chǎn)生的噪聲。
(3) 軸承配置
為滿足變載荷工況使用，高速行星級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，通常配置高承載無外圈滿裝滾子軸承， 滾動體及內(nèi)圈推薦黑化或金剛石等涂層方式處理，可解決滿裝滾子軸承在空載條件下滾動體打滑及在低速情況下滾動體潤滑油膜形成困難等難題，進(jìn)一步降低滾動體磨損風(fēng)險，延長軸承使用壽命；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，注意磨削裂紋控制。
(4) 浮動機(jī)構(gòu)及軸向間隙
高速行星級、中間行星級通常采用太陽輪和行星架同時浮動，低速行星級采用太陽輪浮動。采用了均載的浮動機(jī)構(gòu)，其浮動件必須有足夠的軸向間隙，常規(guī)刀盤主驅(qū)動減速器內(nèi)部總軸向間隙推薦 1～2mm。
(5) 減速器的潤滑
主驅(qū)動減速器通常臥式安裝， 采用浸油潤滑， 一般選用 220～320 號全合成工業(yè)齒輪油；環(huán)境溫度 0℃～20℃時，加油量推薦至最高和最低油位線的 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，保證前端刀盤順利向前挖掘的任務(wù)，同樣屬于盾構(gòu)機(jī)核心驅(qū)動裝置。其傳動比多在 i=3～100 范圍內(nèi)，涉及單級平行齒輪減速器、一級行星齒輪減速器、二級行星齒輪減速器和三級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 行星級和多齒輪并聯(lián)平行級兩大類。
以上螺旋減速器設(shè)計的主要特點為:
(1) 齒輪參數(shù)選取
NGW 行星級螺旋輸送減速器行星輪系常采用 3～4 分流傳動；多齒輪并聯(lián)平行級螺旋輸送減速器小齒輪采用 2～3 匯流傳動。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 級或 6 級；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附加軸向力與徑向力影響；同時關(guān)注傾斜安裝時輸入端軸承潤滑方式與選型。
(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)計選材、定制尺寸構(gòu)造與組合形式。
(4) 減速器的潤滑
螺旋輸送減速器通常臥式傾斜 20～25°安裝，采用浸油潤滑，一般選用 220～320 號全合成工業(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滑。
4 管片拼裝減速器
通常由 1～2 臺管片拼裝減速器驅(qū)動管片拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)支承，最終完成拼裝襯砌管片的任務(wù)；同時還具有鎖緊功能。其傳動比多在 i=15～50 范圍內(nèi)，主要由摩擦片制動器和兩級 NGW 行星齒輪結(jié)構(gòu)組成。
管片拼裝減速器設(shè)計的主要特點為:
(1) 制動器設(shè)計
輸入端內(nèi)置摩擦片制動器，通常設(shè)計為常閉式，即在未通入高壓油時，制動器處于壓緊抱死狀態(tài)，可用于靜態(tài)制動；而在減速器正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，則需持續(xù)通入高壓油以打開制動器。制動器摩擦片傳扭設(shè)計安全系數(shù)推薦≥1.2，摩擦片脫開設(shè)計安全系數(shù)推薦≥1.5，其中摩擦片脫開總間隙推薦≥0.3x2xA(A‐摩擦片數(shù)量)；具體設(shè)計參考 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，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) 減速器的潤滑
減速器臥式安裝，采用浸油潤滑，一般選用 150～220 號全合成工業(yè)齒輪油；通常加油至減速器中線位置；同時箱體設(shè)計時考慮足夠數(shù)量接口以便減速器安裝角度變化時調(diào)整安裝油標(biāo)。
