高海杰，丁永強(qiáng)

(北方重工集團(tuán)有限公司 盾構(gòu)機(jī)分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141)

1 工程概況

遼西北供水工程6#標(biāo)段，隧洞全長(zhǎng)15410m，橫斷面型式為圓型，經(jīng)計(jì)算主洞TBM掘進(jìn)洞段成洞洞徑凈斷面尺寸(直徑)D＝7.51m，開(kāi)挖直徑D＝8.5m。敞開(kāi)式TBM參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 敞開(kāi)式TBM的參數(shù)

2 主驅(qū)動(dòng)支承結(jié)構(gòu)

敞開(kāi)式TBM主驅(qū)動(dòng)支承結(jié)構(gòu)的主要功用是支承刀盤(pán)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)，刀盤(pán)主驅(qū)動(dòng)支承結(jié)構(gòu)的四周裝有護(hù)盾裝置。TBM在掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，由于巖石的不均勻性，常引起機(jī)器頭部的劇烈振動(dòng)，刀盤(pán)護(hù)盾裝置起著穩(wěn)定刀盤(pán)和圍巖的作用，防止掘進(jìn)時(shí)刀盤(pán)可能的振動(dòng)。刀盤(pán)的穩(wěn)定對(duì)于滾刀在同一軌跡連續(xù)切削十分有利，也保證了主軸承處于良好的工作狀態(tài)。刀盤(pán)護(hù)盾的其它作用是保護(hù)刀盤(pán)與機(jī)器前部，必要時(shí)還輔助掘進(jìn)機(jī)的調(diào)向。

敞開(kāi)式TBM主驅(qū)動(dòng)支承結(jié)構(gòu)尺寸是由大軸承外徑、周邊護(hù)盾運(yùn)動(dòng)形式、刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)量以及大齒圈傳動(dòng)副等因素來(lái)決定。TBM主驅(qū)動(dòng)及周邊護(hù)盾裝配如圖1所示。

圖1 TBM主驅(qū)動(dòng)及周邊護(hù)盾裝配

3 主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的來(lái)源，動(dòng)力傳遞形式可以簡(jiǎn)化為圖2。主驅(qū)動(dòng)由刀盤(pán)轉(zhuǎn)接環(huán)、大軸承、驅(qū)動(dòng)支承結(jié)構(gòu)、大齒圈、小齒輪及驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速機(jī)等組成，按照精密的安裝尺寸來(lái)控制大齒圈與小齒輪的嚙合間隙，以保證傳動(dòng)的平穩(wěn)性。8.53m敞開(kāi)式TBM主驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖3。

圖2 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

圖3 TBM主驅(qū)動(dòng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及組成

4 主驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)齒輪副設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 刀盤(pán)轉(zhuǎn)速及主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)速比的設(shè)定

刀盤(pán)轉(zhuǎn)速由刀盤(pán)的最大線速度確定，實(shí)踐表明，刀盤(pán)最大線速度v<2.5m/s。超過(guò)此線速度，邊滾刀迅速損壞。因此，刀盤(pán)的最高轉(zhuǎn)速計(jì)算如下

一般先從變頻電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速n1和刀盤(pán)的極限轉(zhuǎn)速n2max確定刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總速比i，再分配給行星減速機(jī)i1及齒輪副i2，然后根據(jù)幾何尺寸和強(qiáng)度計(jì)算的許可值確定正確的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速。由于減速比分配考慮因素較多，在這里就不做詳細(xì)說(shuō)明，從參數(shù)表中可以得到i2。

4.2 大齒圈、小齒輪變位設(shè)計(jì)及變位系數(shù)分配

TBM施工過(guò)程中，在刀盤(pán)破碎巖石的一瞬間，刀盤(pán)受巖石的反作用沖擊載荷是相當(dāng)大的，齒輪副屬于重載閉式齒輪傳動(dòng)。因此在設(shè)計(jì)齒輪副時(shí)，要考慮到齒面接觸強(qiáng)度及齒根彎曲強(qiáng)度能長(zhǎng)時(shí)間滿足TBM施工要求。

8.53m敞開(kāi)式TBM驅(qū)動(dòng)電機(jī)在主驅(qū)動(dòng)支承結(jié)構(gòu)上的布置位置與旋轉(zhuǎn)中心距離為2196mm，實(shí)際上就是大齒圈與小齒輪的安裝中心距。按照標(biāo)準(zhǔn)大小齒輪來(lái)計(jì)算齒輪副的中心距。

這樣就需要大小齒輪進(jìn)行變位湊中心距方法來(lái)滿足結(jié)構(gòu)及性能要求，選擇變位系數(shù)x1+x2>0的正變位（俗稱(chēng)角度變位），來(lái)增加齒輪副的嚙合角，進(jìn)而增強(qiáng)齒輪副齒面接觸強(qiáng)度和輪齒的彎曲強(qiáng)度。

本項(xiàng)目中變位系數(shù)x1、x2分配原則：①該項(xiàng)目中是潤(rùn)滑條件良好的閉式齒輪傳動(dòng)，小齒輪表面硬度HBS＞350時(shí)，常因齒根疲勞裂紋的擴(kuò)展造成輪齒折斷而使傳動(dòng)失效，選擇變位系數(shù)應(yīng)使齒輪的齒根彎曲強(qiáng)度盡量增大，并盡量使相嚙合的兩齒輪具有相近的彎曲強(qiáng)度；②重載齒輪傳動(dòng)的齒面易產(chǎn)生膠合破壞，除了要選擇合適的潤(rùn)滑油粘度，或采用含有添加劑的活性潤(rùn)滑油等措施外，應(yīng)用變位齒輪時(shí)，應(yīng)盡量增大傳動(dòng)的嚙合角(即增大總變位系數(shù)Σx)，并適當(dāng)分配變位系數(shù)x1和x2，以使最大滑動(dòng)率接近相等，這樣不僅可以增大齒面的綜合曲率半徑，減小齒面接觸應(yīng)力，還可以減小最大滑動(dòng)率以提高齒輪的抗膠合能力。

通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中角變位齒輪傳動(dòng)的公式計(jì)算，及對(duì)小齒輪變位系數(shù)修正計(jì)算后，取x1=0.636；x2=Σx-x1=1.361185-0.636=0.725。

最終得出大齒圈及小齒輪幾何參數(shù)：大齒圈齒頂圓直徑為4026mm；小齒輪齒頂直徑為443mm。

5 結(jié) 語(yǔ)

TBM主驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)是世界每個(gè)隧道掘進(jìn)機(jī)制造廠商的核心技術(shù)，本文主要介紹主驅(qū)動(dòng)齒輪副變位設(shè)計(jì)及齒輪變位系數(shù)選取，為類(lèi)似設(shè)計(jì)工作提供參考。