一種巖石頂管機(jī)齒輪箱設(shè)計(jì)

呂慶洲，翟 華，歐陽智婉

(1.淮南聯(lián)合大學(xué)，安徽 淮南 232038；2.航空結(jié)構(gòu)件成形制造與裝備安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009；3.合肥工業(yè)大學(xué)工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009)

0 前言

隨著頂管施工方法在國內(nèi)普及與發(fā)展，穿越巖石層的頂管施工在工程建設(shè)中的應(yīng)用越來越廣泛。巖石頂管機(jī)主要是德國和日本技術(shù)領(lǐng)先，但其成本高、周期長，不能滿足我國快速地下管網(wǎng)建設(shè)需求；國內(nèi)地下管網(wǎng)建設(shè)普遍希望有國內(nèi)成套裝備，降低設(shè)備成本，縮短生產(chǎn)周期[1-3]。

由于頂管主要在地下施工，巖石頂管環(huán)境惡劣，載荷工況復(fù)雜，巖石頂管機(jī)主要存在刀具磨損、傳動(dòng)系統(tǒng)破壞等故障。頂管機(jī)工作時(shí)所需轉(zhuǎn)速較小，但扭矩較大，從輸入部分到輸出部分對(duì)傳動(dòng)比有著特殊要求，因此需要根據(jù)施工工況自行設(shè)計(jì)制造重載大扭矩機(jī)械裝置——減速器，齒輪箱要求具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、承受疲勞載荷等要求。因?qū)嶋H施工中常常出現(xiàn)齒輪箱破壞等現(xiàn)象，是巖石頂管機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的主要故障。本文針對(duì)巖石頂管機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪箱主要為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，施工中存在損壞故障等現(xiàn)象，進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行有限元設(shè)計(jì)計(jì)算，實(shí)驗(yàn)表明經(jīng)該方法設(shè)計(jì)的齒輪箱，符合設(shè)計(jì)要求，可以對(duì)巖石頂管機(jī)齒輪箱設(shè)計(jì)提供參考。

1 巖石頂管機(jī)及其齒輪箱

1.1 巖石頂管機(jī)

如圖1所示，巖石頂管施工中，由前方頂管機(jī)帶動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)，破碎巖石和泥土，逐步掘進(jìn)，為防止頂管機(jī)掘進(jìn)中受載偏擺，設(shè)計(jì)有姿態(tài)測量系統(tǒng)，當(dāng)出現(xiàn)姿態(tài)偏差時(shí)，糾偏控制箱控制糾偏油缸實(shí)施糾偏，行程控制箱測量頂進(jìn)管廊距離。各管節(jié)由后面頂管油缸分步頂進(jìn)，形成完整的管廊。頂管施工由于沒有開挖路面，效率高，在城市管廊建設(shè)中已普遍采用。

圖1 頂管機(jī)系統(tǒng)布局圖

1.2 巖石頂管機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)

根據(jù)巖石頂管機(jī)的動(dòng)力參數(shù)，確定傳動(dòng)系統(tǒng)減速器的傳動(dòng)方案。

(1)確定傳動(dòng)件布置形式。根據(jù)頂管機(jī)破碎巖石參數(shù)和扭矩參數(shù)，刀盤額定轉(zhuǎn)矩為60 kN·mm。在刀盤旋轉(zhuǎn)切削時(shí)，需要克服切削阻力、刀盤與開挖面之間的摩擦力，要求頂管機(jī)刀盤扭矩足夠大，由于從單級(jí)電機(jī)經(jīng)減速器輸入到刀盤傳動(dòng)比較大，而且單電機(jī)負(fù)載要求電機(jī)功率極大，因此可以進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，由4個(gè)22 kW電機(jī)作為動(dòng)力源。使用4個(gè)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)，齒輪傳動(dòng)布置如圖2所示。四個(gè)主動(dòng)齒輪和被動(dòng)齒輪同時(shí)嚙合，既可以使負(fù)載平衡，在頂管機(jī)掘進(jìn)過程中，也能實(shí)現(xiàn)較大扭矩輸出。在其中某個(gè)電機(jī)出現(xiàn)故障停止工作的情況下，頂管機(jī)仍能正常使用，確保頂管機(jī)掘進(jìn)過程的效率和可靠性。在刀盤堵轉(zhuǎn)后，合理調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)向，可以使電機(jī)反轉(zhuǎn)調(diào)整刀盤轉(zhuǎn)向，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境。傳動(dòng)形式如圖3所示，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖2 齒輪傳動(dòng)形式

圖3 頂管機(jī)回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)圖

參數(shù)小齒輪大齒輪齒數(shù)/個(gè)2284齒寬/mm280250材料40Cr 40Cr 齒面硬度/HBS280240

(2)確定減速器形式。從頂管機(jī)的工況考慮，根據(jù)工作機(jī)轉(zhuǎn)速要求，參考工作機(jī)的空間位置和尺寸，本設(shè)計(jì)選擇直齒圓柱齒輪減速器。考慮到電機(jī)通常輸入轉(zhuǎn)速較大，總傳動(dòng)比較大，因此在減速器的高速端外加減速機(jī)，從而齒輪減速器只需較小傳動(dòng)比即可。本文選擇一級(jí)圓柱直齒齒輪減速器，在傳遞較大功率的同時(shí)，效率較高，工藝簡單且易于保證傳動(dòng)精度。

(3)確定減速器箱體結(jié)構(gòu)。如圖1所示，由于減速器四個(gè)小齒輪均布在大齒輪周圍，所以不能采用沿齒輪軸線水平剖分的結(jié)構(gòu)，為便于裝配，采用整體式箱體，且減速器箱體采用鑄造件。

2 巖石頂管機(jī)齒輪箱有限元分析

作為減速器中發(fā)揮支撐和減少振動(dòng)作用的機(jī)械構(gòu)件，巖石頂管機(jī)齒輪箱故障對(duì)減速器影響較大。齒輪箱必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)當(dāng)避免出現(xiàn)應(yīng)力集中等錯(cuò)誤[4]。使用有限元法對(duì)所設(shè)計(jì)的齒輪箱進(jìn)行靜力分析，可以發(fā)現(xiàn)易發(fā)生變形和應(yīng)力集中部位，采取合理的措施使其符合強(qiáng)度和剛度要求。

2.1 巖石頂管機(jī)齒輪箱有限元模型

在正常工況下，齒輪箱的4個(gè)輸入軸同時(shí)輸入一定的功率，驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，4個(gè)輸入軸的轉(zhuǎn)動(dòng)通過齒輪傳遞到輸出軸上，同時(shí)在工作中安裝在齒輪箱的軸承會(huì)受到齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的扭矩。

由于齒輪箱的材料是鑄鐵，彈性模量160 GPa，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3，在有限元受力分析時(shí)，需要對(duì)齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部簡化，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 巖石頂管機(jī)有限元模型

2.2 巖石頂管機(jī)齒輪箱靜剛度分析

在添加約束和邊界條件中，考慮到齒輪箱為底座固定形式，通過地腳螺栓將齒輪箱下平面與頂管機(jī)機(jī)體連接。齒輪箱的載荷主要來源于內(nèi)部零件結(jié)構(gòu)和自身自重以及支撐軸軸承處的扭矩，荷載約束的作用部位主要是軸承與箱體接觸部分以及底座的螺栓孔。在所設(shè)計(jì)的齒輪箱中，需要考慮的是各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸承與齒輪箱接觸面處對(duì)齒輪箱的扭矩，邊界條件為齒輪箱底面固定約束。進(jìn)行有限元求解，主要分析齒輪箱的應(yīng)變和應(yīng)力?？偽灰茍D如圖5所示。

圖5 總位移圖

從齒輪箱箱體的總位移圖可以發(fā)現(xiàn)齒輪箱的最大位移處是齒輪箱輸出軸端蓋處，其大小為0.11 mm，以輸出軸軸承與齒輪箱接觸面的外側(cè)部位為中心，向四周逐漸減小，加強(qiáng)筋部位產(chǎn)生較大位移，4個(gè)齒輪箱輸入軸軸承與齒輪箱接觸面處也產(chǎn)生較大位移，從與輸出軸齒輪嚙合處向外側(cè)減小。為了提高齒輪箱的可靠性，在實(shí)際使用中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)齒輪箱在徑向方向的剛度，在齒輪箱輸出軸法蘭四周設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋改善齒輪箱的剛度。

齒輪箱等效應(yīng)力最大值為88.659 MPa，最大值集中在齒輪箱輸出軸軸承與齒輪箱箱體接觸部分，等效應(yīng)力的大小以接觸面為中心向四周遞減，輸入軸軸承與齒輪箱接觸部分也有較大應(yīng)力。在齒輪箱側(cè)面和齒輪箱底座等效應(yīng)力較小。選用鑄鐵材料為HT200，其屈服強(qiáng)度為200 MPa，因此齒輪箱可以正常工作。

2.3 齒輪箱模態(tài)分析

在齒輪箱的工作過程中，必然會(huì)受到外部的刺激而產(chǎn)生振動(dòng)，模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)本身固有的振動(dòng)特性，主要有固有頻率等參數(shù)[5]。齒輪箱是頂管機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要部分，當(dāng)傳動(dòng)軸帶動(dòng)齒輪箱內(nèi)部齒輪嚙合和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的沖擊載荷作用到齒輪箱的機(jī)體上，會(huì)引起齒輪箱的振動(dòng)。不同的齒輪箱其結(jié)構(gòu)和材料不同，從而固有頻率也存在一定的差異，為避免齒輪箱內(nèi)部嚙合運(yùn)動(dòng)引起的共振現(xiàn)象。

本文對(duì)所設(shè)計(jì)的齒輪箱進(jìn)行模態(tài)分析，以確定其結(jié)構(gòu)振動(dòng)的固有頻率、振型等動(dòng)力學(xué)參數(shù)，考慮到齒輪箱整體的振型可能有彎曲，振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)等多種具體形式，且齒輪箱擁有多個(gè)模態(tài)。為得到齒輪箱在不同載荷下的隨時(shí)間變化的振動(dòng)形式和相關(guān)的振動(dòng)參數(shù)，以降低在齒輪箱正常工作時(shí)共振帶來的不利影響，因此在本文中選擇的齒輪箱分析的模態(tài)階數(shù)為10階。得到的齒輪箱前4階振型云圖和振動(dòng)頻率圖如圖6所示。

圖6 前4階模態(tài)振型云圖

從振型圖可以看出，1階振型為齒輪箱箱體整體沿Z軸向的振動(dòng)，從箱體底部開始，由于該齒輪箱結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以在齒輪箱1階振型中反映出以齒輪箱下底面和頂管機(jī)固連部位為中心，從下往上擺動(dòng)的幅度增大，在齒輪箱上部中心處擺動(dòng)最大，這導(dǎo)致齒輪箱連接處易出現(xiàn)疲勞破壞。1階振型中，還有箱體繞X軸的小幅度扭轉(zhuǎn)和繞Y軸的較大幅度扭轉(zhuǎn)。Z方向的振動(dòng)是需要重點(diǎn)關(guān)注，因此加裝加強(qiáng)筋，提高齒輪箱上座齒輪箱輸出軸安裝部位和各輸入軸安裝部位之間的抗疲勞剛度。

2階振型為齒輪箱沿Y軸方向的振動(dòng)，從齒輪箱底部往齒輪箱頂部中間延伸，振動(dòng)幅度最大的位置是大齒輪安裝軸的軸承與齒輪箱接觸處，此位置的振動(dòng)將引起齒輪傳動(dòng)中的磨損加劇，使齒輪副壽命縮短。2階振型還由齒輪箱繞X軸的大幅度扭轉(zhuǎn)。

3階振型主要為齒輪箱整體沿X方向的振動(dòng)和繞Y軸的扭轉(zhuǎn)，此外，還有繞Z軸的小幅度扭轉(zhuǎn)。

4階振型主要為齒輪箱整體繞X軸方向的小范圍扭轉(zhuǎn)，最大位移出現(xiàn)在齒輪箱4個(gè)輸入軸軸承與齒輪箱接觸部位，以齒輪箱下座中心向上延伸，從齒輪箱上座中心向外延展。齒輪箱各階振型和頻率見表2。

表2 模態(tài)頻率和振型描述

齒輪箱的動(dòng)態(tài)性能主要是由其在低階頻率的振型決定，由于在低階頻率段齒輪箱更易與外界產(chǎn)生耦合效應(yīng)，造成比高階頻率更加明顯的損傷。因此，在進(jìn)行齒輪箱的模態(tài)分析時(shí)選擇低階振型分析是合理的[6]。

由表2，本設(shè)計(jì)的齒輪箱前三階振型的固有頻率分別為343.77 Hz，456.05 Hz，504.03 Hz，又因?yàn)辇X輪箱輸入軸轉(zhuǎn)速為6.74 r/min，從而可以計(jì)算出齒輪箱的齒輪嚙合頻率為齒輪的轉(zhuǎn)頻乘以它的齒數(shù)，由此可以計(jì)算嚙合頻率為2.47 Hz，齒輪嚙合頻率與低階固有頻率有較大差距，可以避免產(chǎn)生共振。

本設(shè)計(jì)方案已成功應(yīng)用在安徽唐興機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的YSPD-1350B巖石頂管機(jī)中，經(jīng)過多項(xiàng)頂管施工檢驗(yàn)，設(shè)計(jì)效果良好。

3 結(jié)束語

本文針對(duì)巖石頂管機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)巖石頂管工況刀盤及動(dòng)力參數(shù)計(jì)算整個(gè)傳動(dòng)部分的傳動(dòng)比，根據(jù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比確定并選用電機(jī)、減速機(jī)等作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力輸入，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的各部件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，并采用進(jìn)行建模。齒輪箱作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要部件，在本文中使用ANSYS軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的齒輪箱其進(jìn)行了靜力分析和模態(tài)分析，得出設(shè)計(jì)的齒輪箱應(yīng)力分布和數(shù)值小于材料屈服強(qiáng)度的結(jié)論和齒輪箱計(jì)算頻率遠(yuǎn)小于模態(tài)分析中的低階固有頻率的數(shù)值的結(jié)論，確保齒輪箱在工作過程中的可靠性。