盾構(gòu)機(jī)主減速箱損壞原因分析及預(yù)防措施

熊晨君，蔡駿

（中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450001）

1 引言

盾構(gòu)法是一種高效安全的暗挖隧道施工技術(shù)，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)是盾構(gòu)法掘進(jìn)施工中的關(guān)鍵裝備，其主要結(jié)構(gòu)為：刀盤主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及刀盤、推進(jìn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。其刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在掘進(jìn)施工中起著驅(qū)動(dòng)刀盤切割巖土的作用，主減速箱是刀盤系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)部件，為功率密度非常高的行星齒輪傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)期作用于盾構(gòu)機(jī)的高扭矩下極易使主減速箱失效。且主減速箱多級(jí)行星齒輪的耦合振動(dòng)會(huì)加速其疲勞失效，因此分析盾構(gòu)機(jī)主減速箱的損壞原因及預(yù)防措施具有重要的工程意義。

2 刀盤主驅(qū)動(dòng)減速箱工作原理

刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括液壓馬達(dá)、主減速器、小齒輪/大齒圈減速單元。本文以S179 盾構(gòu)機(jī)為研究對(duì)象，其總長(zhǎng)度約75m，刀盤的直徑為6.28m，配置的總功率為1520kW，刀盤扭矩的最大值為5300kN·m，推進(jìn)力的最大值為30100kN，掘進(jìn)速度的最大值為0.08m/min。

盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是刀盤旋轉(zhuǎn)并切削掌子面土層的動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)。它包括液壓馬達(dá)或變頻電機(jī)、主減速器、小齒輪/大齒圈減速單元。主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要被用來(lái)驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)并切削土層，其主要結(jié)構(gòu)為液壓馬達(dá)或者變頻電機(jī)和主減速器等結(jié)構(gòu)，其共有8 組傳動(dòng)副，但是只有一組傳動(dòng)副是含有制動(dòng)裝置的傳動(dòng)副，刀盤通過(guò)螺栓連接固定在前承壓隔板中的法蘭上，可以逆時(shí)針或者順時(shí)針實(shí)現(xiàn)0～6r/min的旋轉(zhuǎn)。

圖1 盾構(gòu)機(jī)主結(jié)構(gòu)圖

圖2 刀盤傳動(dòng)示意圖

3 主驅(qū)動(dòng)減速箱傳動(dòng)特點(diǎn)

主減速器是盾構(gòu)機(jī)的核心組成部分之一，為了使刀盤可以穩(wěn)定地在低轉(zhuǎn)速和大扭矩下工作，其一般的結(jié)構(gòu)形式為行星齒輪結(jié)構(gòu)，因此主減速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功率密度高。

主減速箱由三級(jí)行星減速裝置組合形成，每一級(jí)之間通過(guò)螺栓連接，由太陽(yáng)輪傳遞動(dòng)力。每一級(jí)都是一個(gè)單獨(dú)的行星減速機(jī)構(gòu)，由太陽(yáng)輪、齒圈、行星架及行星齒輪組成。太陽(yáng)輪與行星齒輪內(nèi)嚙合，它們的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，行星齒輪與齒圈內(nèi)嚙合，它們的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。

S179的主驅(qū)動(dòng)減速箱采用三級(jí)行星齒輪傳動(dòng)，如圖3所示。

圖3 減速箱主體結(jié)構(gòu)

4 主驅(qū)動(dòng)減速箱拆解分析

4.1 主減速箱的拆解

8臺(tái)減速箱的相對(duì)位置如圖4所示，通過(guò)對(duì)8臺(tái)減速箱的解體，發(fā)現(xiàn)8臺(tái)減速箱內(nèi)部存在不同程度的損壞，其中1#、2#、6#、7# 減速箱損毀嚴(yán)重，已經(jīng)不能傳動(dòng)輸出；其余4臺(tái)減速箱外表觀無(wú)異常，內(nèi)部同樣存在質(zhì)量問(wèn)題，詳述如下：

（1）1#：三級(jí)減速機(jī)構(gòu)嚴(yán)重破損（見(jiàn)圖5），行星齒輪架嚴(yán)重撕裂，行星輪碎裂，行星輪軸斷裂；二級(jí)減速機(jī)構(gòu)殼體表面色澤變化明顯，內(nèi)部結(jié)構(gòu)表面附著污濁油泥；行星輪內(nèi)部滾動(dòng)軸承破裂；

（2）2#：三級(jí)減速機(jī)構(gòu)花鍵軸套撕裂；內(nèi)部行星輪碎裂；行星輪軸斷裂2 根，行星輪內(nèi)部滾動(dòng)軸承破裂，滾動(dòng)體散落；行星輪架撕裂；二級(jí)減速機(jī)構(gòu)齒面局部破損；殼體內(nèi)存在金屬碎塊，行星輪內(nèi)軸承磨損劇烈，軸向定位較差。

圖4 8臺(tái)減速箱的相對(duì)位置圖

圖5 損壞嚴(yán)重的三級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖6 損壞嚴(yán)重的二級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

（3）3#：輸出花鍵軸撕裂；殼體內(nèi)部潤(rùn)滑油較少，呈半固化狀態(tài)，夾雜較多金屬顆粒；三級(jí)減速機(jī)構(gòu)行星齒輪架撕裂；

（4）4#：外觀無(wú)明顯異常；二級(jí)減速機(jī)構(gòu)小齒輪局部齒面色差變化較大；

（5）5#：2級(jí)減速處有1 行星齒輪軸表面有金屬撕裂剝落。軸承滾子旋轉(zhuǎn)滯澀，估計(jì)軸承外圈內(nèi)表面可能已損壞。中心軸齒輪齒廓有大塊刮傷、壓痕。

（6）6#：殼體內(nèi)部油污金屬顆粒較多；二級(jí)減速機(jī)構(gòu)輸出軸齒形損傷較大（見(jiàn)圖6），該處軸承撕裂；三級(jí)減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)軸齒形嚴(yán)重?fù)p傷；行星輪架及行星輪嚴(yán)重破損；

（7）7#：二級(jí)減速機(jī)構(gòu)處齒輪軸有大塊金屬剝落及表面壓痕；行星齒輪軸承滾動(dòng)體多處有接觸面剝落、壓痕及刮傷。三級(jí)減速行星齒輪軸有大塊金屬剝落及壓傷（3個(gè)軸），有1 行星齒輪軸承內(nèi)部一滾子即將斷裂為兩瓣，另有2個(gè)軸承內(nèi)部滾子有大塊刮壓剝落痕跡。三級(jí)減速部位齒輪圈有大量壓痕。

圖7 充滿鐵屑的一級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

（8）8#：3級(jí)減速機(jī)構(gòu)有3 根齒輪軸表面有大塊金屬碎片剝落。

4.2 主驅(qū)動(dòng)減速箱的拆解

圖8 損壞的主軸承小齒輪

主驅(qū)動(dòng)減速箱外觀完好，緊固螺栓齊備，小齒輪以圓板覆蓋，可見(jiàn)銹蝕與油污。主驅(qū)動(dòng)小齒輪表面存在大量壓痕、刮痕，小軸承內(nèi)、外積聚大量夾雜金屬顆粒的黑色油污，有4個(gè)小軸承的花鍵軸牙型嚴(yán)重?fù)p傷（見(jiàn)圖8）。主驅(qū)動(dòng)齒輪箱內(nèi)存有大量污濁粘稠齒輪油，手觸有顆粒感。小齒輪后側(cè)軸承壓環(huán)內(nèi)環(huán)面存在明顯刮痕。因鐵屑進(jìn)入主軸承內(nèi)部，造成主推滾子及滾道、徑向滾子及滾子表面存在大量的點(diǎn)狀壓痕。主軸承環(huán)件軟帶部位刮擦痕跡較重，存在剝落風(fēng)險(xiǎn)（見(jiàn)圖9）。

圖9 被刮傷的主軸承環(huán)件

5 主驅(qū)動(dòng)減速箱損壞原因及分析

齒輪在使用過(guò)程中的主要損壞形式有：斷齒、疲勞點(diǎn)蝕、剝落和齒面磨損，在重載齒輪中齒面疲勞是主要的損壞形式，其一般采用的表征形式為齒面點(diǎn)蝕和剝落。主要原因是交變接觸應(yīng)力的作用。

齒輪疲勞的損壞特征是點(diǎn)狀麻點(diǎn)、凹坑出現(xiàn)在齒輪節(jié)圓附近，按照損壞程度的不同一般分為三種類型：初始點(diǎn)蝕、破壞性點(diǎn)蝕、表面剝落。初始點(diǎn)蝕是非擴(kuò)展行的，一般不會(huì)對(duì)齒輪構(gòu)成破壞；而破壞性點(diǎn)蝕和表面剝落會(huì)擴(kuò)大剝落區(qū)域，破壞齒面，加劇齒輪的不平穩(wěn)傳動(dòng)，當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)的不平穩(wěn)性到達(dá)一定程度后，輪齒可能折斷，從而可能造成整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的癱瘓等災(zāi)難性后果。

通過(guò)解體主驅(qū)動(dòng)減速箱，得出減速箱損壞剝落的塊狀金屬導(dǎo)致了主軸承的損傷。在損壞最輕的8#減速箱里發(fā)現(xiàn)其三級(jí)減速機(jī)構(gòu)里面有少量鐵屑，而其行星齒輪及齒圈表面出現(xiàn)有麻坑、點(diǎn)蝕現(xiàn)象。另外在其他減速箱內(nèi)，清除金屬碎片及軸承等雜物。在齒輪、齒圈的表面都有不同程度的麻坑。結(jié)合該批減速箱使用時(shí)間較長(zhǎng)（約12 年），初步判斷為重載齒輪齒面疲勞損壞及磨損損壞，起初是點(diǎn)蝕，然后齒面剝落；在繼續(xù)承受重載的情況下，導(dǎo)致齒輪斷裂，整個(gè)行星齒輪箱卡死，最后整個(gè)減速箱徹底報(bào)廢，而碎裂的金屬塊掉入主軸承內(nèi)，造成主軸承的損壞。

6 主驅(qū)動(dòng)減速箱狀態(tài)檢測(cè)

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的工作環(huán)境惡劣，空間封閉狹小，更換零部件和維護(hù)設(shè)備困難，因此其主減速器具有體積小、可靠性高等特點(diǎn)；由于工作對(duì)象為成分不均的圖層，刀盤在工作時(shí)會(huì)受到強(qiáng)交變載荷的作用，所以具備耐沖擊性能也是其主要設(shè)計(jì)要求。

由于工況的復(fù)雜性，主驅(qū)動(dòng)減速箱齒輪出現(xiàn)麻坑、點(diǎn)蝕等疲勞損壞是不可避免的，只是時(shí)間的問(wèn)題；而狀態(tài)檢測(cè)屬于主動(dòng)維修，可以在故障初期以最小的代價(jià)換取整個(gè)設(shè)備的長(zhǎng)壽命高可靠性的工作，這對(duì)于盾構(gòu)機(jī)這樣停機(jī)損失巨大的設(shè)備尤為重要。

（1）油水檢測(cè)

對(duì)減速箱齒輪油的及時(shí)檢測(cè)，可以在減速箱發(fā)生點(diǎn)蝕過(guò)程中，有少量金屬掉落時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并及時(shí)對(duì)該減速箱進(jìn)行齒輪油的更換。在減速箱的進(jìn)一步損壞之前提前拆除更換，避免了更嚴(yán)重事故的發(fā)生。S261 盾構(gòu)機(jī)的1#減速箱在長(zhǎng)沙地鐵掘進(jìn)過(guò)程中就通過(guò)油水檢測(cè)發(fā)現(xiàn)有大量鐵屑，進(jìn)而對(duì)該減速箱進(jìn)行拆卸、分解，發(fā)現(xiàn)有大量點(diǎn)蝕出現(xiàn)。隨后對(duì)減速箱進(jìn)行了更換，恢復(fù)了盾構(gòu)掘進(jìn)。

（2）聲音及振動(dòng)檢測(cè)

減速箱行星齒輪點(diǎn)蝕嚴(yán)重時(shí)，齒輪嚙合時(shí)振動(dòng)較大，可以通過(guò)振動(dòng)檢測(cè)儀進(jìn)行判斷。同時(shí)，在齒輪表面剝落、斷裂時(shí)，減速箱因?yàn)椴荒苷９ぷ?，也?huì)產(chǎn)生異響。此時(shí)，減速箱的損壞還沒(méi)有影響到主軸承，對(duì)減速箱進(jìn)行拆卸更換也可以避免事故的蔓延。

（3）溫度觀察

在減速箱損壞后期，減速箱內(nèi)齒輪卡死后，在液壓馬達(dá)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的和小齒被動(dòng)驅(qū)動(dòng)的雙重作用下，減速箱發(fā)生更嚴(yán)重的齒輪斷裂、行星架斷裂情況。此時(shí)，聲音及振動(dòng)加劇，并且在摩擦過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱量，通過(guò)對(duì)減速箱外溫度的觀測(cè)可以確定減速箱損壞。此外，當(dāng)減速箱失效后，因液壓馬達(dá)沒(méi)有驅(qū)動(dòng)力作用在主軸承上，主驅(qū)動(dòng)油管溫度也會(huì)比其他正常的油管溫度要低。

7 結(jié)論

（1）因?yàn)樽饔糜跍p速箱的強(qiáng)交變載荷會(huì)改變其疲勞特性，所以主驅(qū)動(dòng)減速箱出現(xiàn)麻坑、點(diǎn)蝕等疲勞損壞是不可避免的。

（2）本文提出的對(duì)主減速箱的狀態(tài)檢測(cè)措施可以在主驅(qū)動(dòng)減速箱損壞前期對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，從而使主驅(qū)動(dòng)減速箱的可檢測(cè)性稱為可能，進(jìn)一步延長(zhǎng)了其使用壽命，最終保證了主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)的可靠性。

［1］肖正明，秦大同，武文輝，等.盾構(gòu)機(jī)主減速器三級(jí)行星傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2010，21（18）：2176-2182.

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