基于盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)的故障分析

李偉

摘 要：盾構(gòu)是隧道工程中最常用的設(shè)備之一，刀盤是盾構(gòu)設(shè)備主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的重要組成部分，而減速箱是刀盤系統(tǒng)中的核心部件。因此，針對(duì)盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)的故障進(jìn)行分析，能夠?yàn)楣こ虣C(jī)械設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的改進(jìn)和創(chuàng)新，提供參考意見。本文中以此為研究點(diǎn)，深入地分析基于盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)的故障，研究故障產(chǎn)生的原因，以期通過(guò)該種方式為設(shè)計(jì)者提供更多的改進(jìn)和創(chuàng)新的參考建議，為我國(guó)機(jī)械設(shè)備的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)；機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)；刀盤；減速機(jī)；齒輪

中圖分類號(hào)： U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）34-186-2

0 引言

盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)故障是影響盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)的主要原因，也是影響盾構(gòu)機(jī)在工程中的應(yīng)用效率的主要原因。近幾年隨著我國(guó)自主設(shè)備研究水平的逐漸提升，在盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)的研究與設(shè)計(jì)上獲得了突破性的進(jìn)展。我國(guó)自主研發(fā)的盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)也在國(guó)家重大工程中應(yīng)用，打破了國(guó)外技術(shù)壟斷和封鎖的現(xiàn)象。但是，在實(shí)際應(yīng)用和操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)仍然存在故障，因此，為進(jìn)一步強(qiáng)化我國(guó)自主研發(fā)技術(shù)，為機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用與生產(chǎn)做出貢獻(xiàn)，應(yīng)該進(jìn)一步分析產(chǎn)生原因，從而有效地為實(shí)際技術(shù)研發(fā)和工程應(yīng)用提供改進(jìn)參考建議。

1 減速機(jī)及盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤

減速機(jī)是機(jī)械設(shè)備中最重要的組成部分之一，其利用原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)結(jié)構(gòu)之間匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備的減速[1]。齒輪是減速機(jī)中重要的組成零件之一，根據(jù)齒廣輪的形狀當(dāng)前我國(guó)減速機(jī)分為圓柱齒輪減速機(jī)、圓錐齒輪減速機(jī)和圓錐-圓柱齒引輪減速機(jī)。盾構(gòu)機(jī)是地下隧道工程開發(fā)過(guò)程中使用的一種密集型重大工程裝備，而刀盤是盾構(gòu)設(shè)備中的重要組成部分，也是地下隧道工程開發(fā)所使用的主要部分之一。為滿足盾構(gòu)設(shè)備在工程中的應(yīng)用，其自身驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要具有功率大、扭矩輸出大、抗沖擊、轉(zhuǎn)速雙向連續(xù)可調(diào)等特點(diǎn)。

2 盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)工作原理

盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部主要包含馬達(dá)、主減速器、小齒輪減速單元、大齒輪減速單元等結(jié)構(gòu)。盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是刀盤工作過(guò)程中的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，被用來(lái)驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)刀盤切割土層的目的。單盤通過(guò)螺栓連接固定的前承壓隔板中的法輪，實(shí)現(xiàn)刀盤逆時(shí)針或順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，本次論文中的盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤直徑為6.28m，總功率為1520W，刀盤最大扭矩值為5300kN·m，最大推進(jìn)力為30000kN，挖掘的最大速度為0.08m/min，刀盤最大轉(zhuǎn)速為6r/min。刀盤傳動(dòng)工作圖見圖1[2]。

盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)工作傳動(dòng)中為了進(jìn)一步地穩(wěn)定刀盤的低轉(zhuǎn)速和大扭矩下的工作，一般采用的是行星齒輪結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高功率的作用。內(nèi)部主減速箱內(nèi)含有三級(jí)行星減速裝置，每一個(gè)層次的行星減速裝置之間采用螺栓連接的方式，由太陽(yáng)輪提供機(jī)械設(shè)備的傳動(dòng)動(dòng)力。此外，每一個(gè)行星減速層次中含有單獨(dú)的減速結(jié)構(gòu)，減速結(jié)構(gòu)內(nèi)部有太陽(yáng)輪、齒圈、行星架、行星齒輪等組成。其工作的過(guò)程中利用太陽(yáng)輪與行星齒輪相反方向內(nèi)嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)和行星齒輪與齒圈相同方向內(nèi)嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)層次單獨(dú)減速的工作原理[3]。

盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)在實(shí)際工作過(guò)程中的工作原理是利用各個(gè)層次的減速機(jī)作用，共同實(shí)現(xiàn)主驅(qū)動(dòng)大齒輪的減速作用。大齒圈在工作過(guò)程中利用螺栓、定位銷與刀盤鏈接作用，為減速機(jī)的工作提供動(dòng)力，從而驅(qū)動(dòng)刀盤達(dá)到旋轉(zhuǎn)工作的目的，最終實(shí)現(xiàn)切削土質(zhì)的作用。與此同時(shí)，盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)還可以在工程中執(zhí)行挖掘任務(wù)，但是在該任務(wù)操作的過(guò)程中需要對(duì)刀盤的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行重新啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刀盤旋轉(zhuǎn)推進(jìn)的模式。利用油缸的動(dòng)力和大齒輪作用，推進(jìn)刀盤，使其實(shí)現(xiàn)連續(xù)切削挖掘工作的目的。

3 盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)齒輪故障

3.1 齒輪損壞故障

齒輪損壞故障分為幾種不同的類型。當(dāng)前我國(guó)盾構(gòu)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)齒輪損壞故障主要分為齒輪斷齒、疲勞點(diǎn)損壞、剝落和齒面磨損四種類型。進(jìn)一步對(duì)盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)故障的發(fā)生率進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其中齒輪疲勞點(diǎn)損壞是盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)齒輪故障中最常產(chǎn)生的一個(gè)故障類型[4]。盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)疲勞點(diǎn)損壞根據(jù)特征會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)狀麻點(diǎn)、凹坑等，因此根據(jù)齒輪疲勞點(diǎn)損壞程度可以將其分為初始點(diǎn)損壞、破壞性損壞和表面剝落性損壞三種類型。其中初始點(diǎn)損壞主要是非擴(kuò)展性的損壞，一般不會(huì)對(duì)齒輪本身造成一定的損害；破壞性損壞和表面剝落性損壞則會(huì)產(chǎn)生損壞區(qū)域擴(kuò)大的現(xiàn)象，從而加深齒面破壞程度，使齒輪的傳動(dòng)失去平穩(wěn)定。此外，一旦齒輪產(chǎn)生破壞性損壞和表面剝落性損壞會(huì)造成整個(gè)盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)癱瘓的現(xiàn)象。

3.2 齒輪損壞故障原因分析

齒輪損壞本身是發(fā)生在齒輪自身上，因此其故障產(chǎn)生的原因主要分為內(nèi)在原因和外在原因兩種類型。第一，內(nèi)在原因。盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)在自身組裝過(guò)程中需要使用不同類型的齒輪進(jìn)行組裝，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備齒輪動(dòng)力的組裝。但是，針對(duì)本次研究中的盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)內(nèi)部齒輪進(jìn)行拆解檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)內(nèi)部齒輪的生產(chǎn)廠家中出現(xiàn)了4家，由于每一個(gè)齒輪生產(chǎn)廠家在進(jìn)行齒輪加工的過(guò)程中使用的加工設(shè)備不同，齒輪與齒輪之間雖然型號(hào)相同，但是存在細(xì)微差別。因此，造成齒輪在實(shí)際工作過(guò)程中產(chǎn)生軸承磨損和齒輪磨損的現(xiàn)象。第二，外在原因。外在原因主要分為安裝原因和操作原因兩種。其中安裝原因主要是指設(shè)備在工程項(xiàng)目進(jìn)場(chǎng)施工安裝的過(guò)程中，對(duì)盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)固定螺栓的緊固和實(shí)效并沒有及時(shí)地進(jìn)行調(diào)整和處理。尤其是在啟動(dòng)和運(yùn)行的過(guò)程中，對(duì)減速機(jī)的沖擊力相對(duì)較大。操作原因主要是指盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)在實(shí)際操作施工的過(guò)程中根據(jù)生產(chǎn)廠家的要求盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)刀盤換向時(shí)間需要在40s以上，但是在實(shí)際操作過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)的刀盤換向時(shí)間為4.5s，從而導(dǎo)致齒輪和軸承由于操作不當(dāng)導(dǎo)致出現(xiàn)破壞性損壞和表面剝落性損壞。

3.3 齒輪損壞故障改進(jìn)措施

針對(duì)齒輪損壞故障對(duì)其進(jìn)行分析，從而提出改進(jìn)措施可以從自身設(shè)計(jì)上、生產(chǎn)制造商、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試上和運(yùn)行維護(hù)上對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。首先，在設(shè)計(jì)盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)的過(guò)程中根據(jù)其各個(gè)減速層級(jí)對(duì)其齒輪的需求和最大扭矩進(jìn)行分析，通過(guò)具體的疲憊值計(jì)算齒輪的使用壽命和相關(guān)規(guī)定指標(biāo)，在有效提升現(xiàn)有功率的基礎(chǔ)上提升工作效率。其次，在生產(chǎn)制造過(guò)程中采用機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)人員現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督處理的方式，對(duì)其生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督，提高設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的統(tǒng)一性[5]。然后，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試上根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的情況，由專業(yè)的機(jī)械設(shè)計(jì)人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試和處理。最后，利用溫度、震動(dòng)、噪音、油檢、內(nèi)窺鏡等檢測(cè)手段，對(duì)盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)進(jìn)行日常運(yùn)行維護(hù)。

4 總結(jié)

盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)故障是盾構(gòu)機(jī)在實(shí)際工程應(yīng)用中最常見的一個(gè)問(wèn)題。因此，在提升自身設(shè)備水平的過(guò)程中必須深入地對(duì)刀盤減速機(jī)故障進(jìn)行分析，通過(guò)本文的研究能夠得出齒輪故障是盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)故障的主要故障。因此，未來(lái)在實(shí)際操作設(shè)備設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中應(yīng)該對(duì)盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤減速機(jī)內(nèi)部齒輪的設(shè)計(jì)和使用進(jìn)行加強(qiáng)，從而有效提升機(jī)械設(shè)備的工作效果，增強(qiáng)實(shí)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 吳朝來(lái).盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)密封故障處理與防護(hù)技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2012（01）：134-138.

[2] 楊明金.NFM盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速箱毀壞原因分析及改造[J].現(xiàn)代機(jī)械，2012（02）：66-68.

[3] 黃克，趙炯，周奇才，熊肖磊.基于多變量統(tǒng)計(jì)過(guò)程監(jiān)控的盾構(gòu)機(jī)故障診斷[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2012（02）：222-227.

[4] 任亞軍，趙明.盾構(gòu)機(jī)刀盤變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)研究[J].機(jī)械與電子，2015（04）：44-46.