土壓平衡盾構(gòu)主軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

吉冰旭，周 琳，徐紹仁，許明奇，謝興會(huì)

（洛陽(yáng)LYC軸承有限公司 技術(shù)中心，河南 洛陽(yáng) 471039）

盾構(gòu)機(jī)代表了隧道掘進(jìn)裝備的發(fā)展方向。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的快速發(fā)展，地下空間的開發(fā)利用越來(lái)越迫切，對(duì)盾構(gòu)機(jī)的市場(chǎng)需求日益劇增，我國(guó)正在成為世界上盾構(gòu)機(jī)需求量最大的國(guó)家。用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧道作業(yè)，具有自動(dòng)化程度高，節(jié)省人力，施工速度快，一次成洞，不受氣候影響，開挖時(shí)可控制地表沉降，減少對(duì)地面建筑物的影響和在水下開挖時(shí)不影響水面交通等特點(diǎn)。

土壓平衡盾構(gòu)主軸承（簡(jiǎn)稱盾構(gòu)主軸承）是盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵部件，使用在盾構(gòu)刀盤系統(tǒng)上。由于盾構(gòu)機(jī)在既定施工段不允許失效，盾構(gòu)主軸承的壽命和可靠性直接影響盾構(gòu)機(jī)械的施工安全。盾構(gòu)主軸承在重載、變載條件下工作，要承受軸向力、徑向力、傾覆力矩等復(fù)合載荷。

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主要應(yīng)用于軟性黏土，但考慮到復(fù)合型的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)應(yīng)用時(shí)可能遇到復(fù)雜地質(zhì)狀況，高承載能力仍是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為了保證軸承達(dá)到預(yù)期的性能及壽命，它的高可靠性以及高承載能力、高密封性能、高精度均為設(shè)計(jì)、制造的追求目標(biāo)。下面將對(duì)盾構(gòu)主軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1 軸承結(jié)構(gòu)

盾構(gòu)主軸承是豎直放置，需要承受軸向力、徑向力、傾覆力矩等復(fù)合載荷，目前國(guó)外都采用三排圓柱滾子組合軸承結(jié)構(gòu)。圖1為盾構(gòu)主軸承的結(jié)構(gòu)圖，內(nèi)圈為整體帶齒套圈，外圈為雙半套圈組合結(jié)構(gòu)。圖1中，上排滾子承受軸向力，下排滾子承受傾覆力矩產(chǎn)生的反向推力，徑向滾子承受徑向力。該軸承受力非常明確，容易得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，而且上、下滾道面均為平面，加工精度也容易保證，測(cè)量相對(duì)簡(jiǎn)單，易獲得高的旋轉(zhuǎn)精度，從而保證軸承的可靠性。目前在國(guó)外機(jī)型上這種結(jié)構(gòu)軸承大量采用。

圖1 三排圓柱滾子組合盾構(gòu)主軸承

但圖1軸承內(nèi)圈的安裝孔為通孔，限制了滾子的長(zhǎng)度。近年來(lái)，主機(jī)減小了安裝空間，調(diào)小了內(nèi)、外圈安裝孔距離，減小了軸承厚度，將內(nèi)圈安裝孔由通孔改為帶螺紋的盲孔結(jié)構(gòu)。如此以來(lái)，主推力滾子長(zhǎng)度可以加長(zhǎng)。改變后的軸承結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 新結(jié)構(gòu)盾構(gòu)主軸承

2 設(shè)計(jì)原則

2.1 材料的選擇

目前，國(guó)外對(duì)于該軸承套圈的材料均采用42CrMoV，相當(dāng)于我國(guó)的42CrMo，調(diào)質(zhì)處理，硬度為229～269 HB，無(wú)損探傷級(jí)別按JB／T5000.15—1998中的Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)

軸承主參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮安全系數(shù)和壽命指標(biāo)。

在盾構(gòu)主軸承的受力中，承受最大的是軸向力，傾覆力矩相對(duì)較小，因此重要的是主推力滾道安全系數(shù)的選擇。主推力滾道安全系數(shù)一般最小，實(shí)際設(shè)計(jì)中，參考國(guó)外設(shè)計(jì)主推力滾道安全系數(shù)應(yīng)達(dá)到1.2以上；反推力滾道安全系數(shù)較大，一般都可以達(dá)到1.4以上；徑向滾道安全系數(shù)應(yīng)在1.35以上。

由于盾構(gòu)工作的特殊性，主軸承一旦開始挖掘，出了問(wèn)題幾乎無(wú)法拆卸，因此軸承的可靠性和壽命非常關(guān)鍵，目前，國(guó)外對(duì)盾構(gòu)主軸承壽命的要求是10 000 h或者10 km。

2.3 軸承精度

為保證盾構(gòu)主軸承的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)和受力均勻，軸承各配合面公差應(yīng)按7級(jí)控制，各配合面之間對(duì)同軸度都有一定的要求。裝配后軸承的旋轉(zhuǎn)精度應(yīng)達(dá)到P5。國(guó)外軸承的成品精度遠(yuǎn)高于P5。

2.4 軸承密封結(jié)構(gòu)

盾構(gòu)主軸承的油孔類型多，除了兩排軸承自用的兩種油孔外，還有數(shù)種油孔供軸承安裝部件用。軸承的密封主要在于防止雜物如沙土等從軸承端面及外徑、外圈兩半端面處進(jìn)入，同時(shí)也為防止?jié)櫥偷男孤?。所采取的密封主要為：軸承端面與軸承安裝座之間有兩道密封槽；在兩半外圈的中間有兩道密封；每個(gè)油孔的外面都設(shè)有環(huán)形槽來(lái)防止各個(gè)油路潤(rùn)滑油的互通。在兩半外圈面之間，還應(yīng)該涂有密封膠來(lái)保證貼合緊密。主軸承密封位置如圖1所示。

2.5 軸承軟帶位置的可靠性

普通三排圓柱滾子組合軸承的兩半套圈的軟帶位置，是放在一處或者呈180°放置，軸承安裝時(shí)軟帶位置與軸承的受力作用線相隔90°。這種軟帶位置的放法，只能保證軟帶位置在載荷較小處，而不能確保上、下兩滾道的軟帶都在載荷最小處。

針對(duì)盾構(gòu)主軸承的受力特點(diǎn)，其軟帶位置的設(shè)計(jì)如圖3所示。對(duì)于主推力滾道，載荷最小的位置應(yīng)該在最上方，故軟帶位于最上方；對(duì)于反推力滾道，則受力最小的位置在最下方，軟帶位置應(yīng)放最下方。這種有針對(duì)性的設(shè)計(jì)確保軸承軟帶位置在載荷最小處，提高了軸承的可靠性。

圖3 主軸承軟帶位置圖

2.6 軸承滾道和擋邊熱處理

JB／T10471—2004《滾動(dòng)軸承 轉(zhuǎn)盤標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定滾道硬度為55～62 HRC，為提高軸承的承載能力和壽命，滾道硬度應(yīng)在57 HRC以上。

軸承豎直使用，為提高保持架的引導(dǎo)精度，減小其與擋邊的摩擦，軸承的擋邊也應(yīng)進(jìn)行淬火并磨削。為避免二次淬火后影響滾道的硬度，滾道和擋邊可同時(shí)淬火。

2.7 保持架結(jié)構(gòu)

2.7.1 軸向保持架

普通三排圓柱滾子軸承的軸向保持架有鋁制或銅制輪番兜孔（半圓弧兜孔）和帶支腳的直兜孔鋼制保持架兩種形式。這兩種保持架，在水平放置的軸承上應(yīng)用比較合適，而在豎直放置的軸承上使用時(shí)，和擋邊摩擦比較嚴(yán)重。對(duì)于豎直使用的盾構(gòu)主軸承保持架，可采取以下兩種方案。

對(duì)于軸向位置充足的軸承結(jié)構(gòu)，可采用分段鋼制直兜孔保持架，并在保持架的上、下端面焊接銅塊，以保證保持架和滾子同心并減小保持架和滾道面的摩擦和磨損（圖4）。保持架內(nèi)、外徑焊接銅塊可以減小保持架和擋邊的摩擦及磨損。這種保持架既有足夠的強(qiáng)度，又有好的經(jīng)濟(jì)性，是廣泛采用的結(jié)構(gòu)。

圖4 軸向保持架結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于軸向空間不足的軸承結(jié)構(gòu)（圖2），可采用全銅分段直兜孔保持架。保持架實(shí)體和上、下支腳以及內(nèi)、外減磨塊一起鑄出，這樣可以減小保持架內(nèi)、外徑方向的壁厚；同時(shí)因?yàn)椴挥昧艉附游恢?，可以減小保持架的梁寬，有效地提高了軸承的承載能力。對(duì)于尺寸小的盾構(gòu)主軸承，可以做成整體保持架。

2.7.2 徑向保持架

對(duì)于徑向保持架，可根據(jù)滾子直徑的大小選擇分段帶銅鑲塊的直兜孔鋼制保持架或全銅直兜孔保持架（圖5）。

2.8 齒輪表面處理

盾構(gòu)主軸承齒輪的齒面和齒根應(yīng)進(jìn)行淬火，齒面硬度為50～60 HRC，齒根硬度達(dá)45 HRC以上。

圖5 徑向保持架結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)以上盾構(gòu)主軸承的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)原則，已完成了2.6 m盾構(gòu)主軸承133.90.2245.03的設(shè)計(jì)和制造，設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)與國(guó)外先進(jìn)公司水平相當(dāng)，可以滿足土壓平衡盾構(gòu)主機(jī)要求。尤其在滾道和擋邊、軟帶位置和保持架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面具有國(guó)際先進(jìn)水平。