閔 銳（上海隧道工程有限公司機械制造分公司，上海 200137）

上海軌道交通市域線機場聯絡線（西段）3 標含兩段盾構區(qū)間，采用泥水氣平衡盾構機進行施工，管片外徑 13.6 m。

沿線地表水系發(fā)育。隧道斷面主要在 ⑤1⑥1⑦1地層，分別為黏土、粉質黏土和黏質粉土。頂覆土 14.2～33.0 m，最小轉彎 R 500 m。

隧道穿越各類構建筑物及已有管線，在進出洞及過站時會穿越加固段。

1 刀盤驅動裝置

刀盤驅動裝置是盾構設計的核心，特點是大尺寸、低速、超大載荷、大沖擊、頻繁啟停，長期工作在濕度大溫度高的惡劣環(huán)境中。限于本身結構、環(huán)境、經濟等因素，難以在隧道內更換維修，因此非超大直徑盾構機刀盤驅動設計壽命一般要求為 ＞10 000 h，近似為 ＞10 km 使用壽命，而超大直徑刀盤驅動則一般要求 ＞15 000 h，以提高冗余。

刀盤驅動提供刀盤旋轉所需要的扭矩，其結構件必須有足夠的剛強度，以滿足扭矩傳遞，并能承受刀盤傳遞過來的正面推力、徑向力以及傾覆力矩。

刀盤驅動裝置主要由動力箱、大軸承（動環(huán)和靜環(huán)）、受力環(huán)、內外周密封圈、內外密封環(huán)、小齒輪、動力源（電動機和減速器）以及緊固件（連接螺栓、墊圈等）等部件組成。動力箱是刀盤驅動裝置的主受力部件，用于安裝大軸承的定環(huán)并將整個驅動安裝于殼體上；受力環(huán)與大軸承的動環(huán)連接，安裝有內外周密封圈，并通過數排螺栓與刀盤相連；內外周密封圈防止泥水進入驅動裝置內部，還配有水冷卻、稀油、集中潤滑油脂加注等；動力源帶動小齒輪帶動大軸承上的大齒圈進行旋轉。刀盤驅動結構見圖1。扭矩傳遞路徑：驅動電機→減速器→小齒輪→大軸承動圈→受力環(huán)→刀盤。

圖1 刀盤驅動結構簡圖

刀盤驅動需要保證高效率、較低振動、控制噪聲等，以及必要的潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)。這些都需要在總體設計中給予充分考慮。

2 刀盤驅動設計分析

簡單設計流程：推力扭矩轉速等（相關設計條件）→選擇動力源→計算總傳動比和分配各級傳動比→結構分析計算→圖紙設計→編寫設計說明書。

2.1 刀盤驅動方式分析

電動機或液壓馬達驅動方式在業(yè)內都有廣泛的應用，且各有優(yōu)缺點。與液壓驅動比較而言，電動機驅動主要有效率高、噪聲低、洞內溫度穩(wěn)定、后配套簡單、維護保養(yǎng)轉接方便等優(yōu)點，缺點是電動機加減速器結構尺寸大、重量重，對驅動和主機布置帶來一定的困難。液壓驅動可以省去減速裝置，結構緊湊，但配套系統(tǒng)較為龐大、維護保養(yǎng)復雜。因此采用電驅動是更好的方案。

2.2 驅動扭矩系數分析

扭矩系數 α 是驅動主要參數，與盾構機型和地質工況條件有關，業(yè)內既有嚴謹的理論計算方法也有經驗算法[1]。經驗公式見式（1）。

式中：T —扭矩/kN·m；

D —刀盤切削直徑/m。

在世界范圍內 α 取值范圍差異大。在日本的隧道標準規(guī)范（盾構篇）中，泥水平衡盾構建議 α =9～15[1]。隨著國內大量工程經驗積累，業(yè)界對很多問題的認知都在不斷進步，對盾構機裝備能力的要求、對可靠性的要求越來越高，故對扭矩安全余量更加重視，即使在施工中碰到惡劣工況條件，設備也需具有安全高效施工的能力。市域盾構 α 值的選擇，首先考慮到刀盤驅動電機可以超頻到 120%（穩(wěn)定運行時間 30 min），最大可到 150% 作為脫困扭矩使用；其次根據地質工況條件、線路條件等的不同，同時考慮未來可能會用到土壓盾構機、更深的埋深、小曲率轉彎、切削地下障礙物、坡度可能達 6% 公路隧道等更惡劣工況條件，都要有一定的安全余量。

2.3 刀盤驅動機內可拆

刀盤驅動除需要高的可靠性，在 15 000 h 內刀盤驅動整體具備免維修的能力，包括其中的全部零部件外，還需要考慮某些極端情況的出現，在實際發(fā)生需要維修驅動的情況時，驅動可以在隧道內拆修主機，包括主軸承和土砂密封。這就要求設計中考慮驅動在機內可拆及主軸承等在機內可拆，可維修性同樣是保證驅動可靠性的重要要素。當然，如果驅動出了需要機內拆修的問題，其工作量非常巨大，即使機內可拆，對工期費用的影響也都是巨大的。機內可拆僅是考慮某些極端情況的手段。

2.4 主軸承分析

主軸承承受盾構機正反向推力、傾覆力矩、裝備扭矩，具有難以維修更換的特性，是保證盾構機性能的關鍵要素之一。軸承及齒圈設計壽命為 15 000 h（根據 ISO 281 L 10 計算）以上，近似為掘進 15 km 隧道長度。

主軸承設計計算依據是軸承載荷譜。載荷譜準確與否，決定了軸承選型是否可靠合理。為了增加可靠性，提高安全冗余，一般在考慮載荷譜時，將困難工況占比提高，并適當提高最大傾覆力矩、最大靜載推力。

綜合考慮主軸承載荷譜、密封潤滑、盾構主機機頭內結構布置要求，通過主軸承初步設計，驗算滾柱、滾道、齒輪副、軸承外形尺寸后，確定主軸承的相關尺寸，包括螺栓安裝孔的數量（根據傳遞的扭矩進行校核）以及布孔要求（包括油脂孔位、滾道潤滑孔位、冷卻水孔位、傳感器孔位等），滿足安裝空間的要求。

2.5 密封形式分析

土砂密封是刀盤驅動裝置中的關鍵部件，作用為防止土艙中的土砂、水等涌入驅動箱體；同時防止齒輪箱中的齒輪油外溢。國內外曾經出現的刀盤驅動問題，很多都是因為土砂密封失效引起的。

刀盤驅動土砂密封，主要有多翅型密封圈形式和 VD 密封圈形式 2 種。多翅型密封圈多采用聚氨酯，而 VD 密封圈多采用丁晴橡膠。2 種密封形式各有優(yōu)缺點，見表 1。

表1 多翅型聚氨酯密封和 VD 型橡膠密封優(yōu)缺點

在表 1 中，前 6 項為密封圈主要材料物理性能，由數據分析可知，多翅型除了在高溫下永久變形率略低外，其他指標都遠好于 VD 型密封；從性能可靠性角度分析，多翅型聚氨酯密封顯然要好于 VD 型橡膠密封。多翅型結構尺寸較大，較難在井下更換。VD 密封結構緊湊，可在井下更換。從易于維修角度看，則 VD 密封占優(yōu)勢。當然，多翅型密封油脂加壓方式為并聯式加壓，只要保證可靠穩(wěn)定的油脂供應，其使用壽命是有保證的，大量工程實踐也證明了其可靠性。

多翅型密封圈壓密量的選擇，與密封圈材質、機械性能指標、最大允許線速度、驅動設計的配合公差尺寸等有關。

2.6 齒輪傳動設計的幾個關注點

刀盤驅動在運轉過程中，齒輪承受巨大的動載荷，產生受載變形、振動、噪聲。其齒輪系統(tǒng)是一個復雜的彈性系統(tǒng)，在嚙合時輪齒彈性變形、時變嚙合剛度、齒隙、制造誤差等為齒輪系統(tǒng)內部激勵，負載、電動機等為外部激勵，對齒輪靜態(tài)特性、動態(tài)特性和系統(tǒng)傳動精度等產生不利影響。

齒輪傳動可靠性設計涉及齒輪疲勞強度、抗齒面膠合、靜強度、箱體彈性變形、交變載荷工況下齒面修形等一系列復雜設計工作。本文僅討論幾個主要關注點。

(1) 齒面硬度分析。在傳統(tǒng)盾構刀盤驅動設計中，大齒輪采用硬齒面，小齒輪采用軟齒面，重點保證大齒輪疲勞壽命。隨著材料、工藝、分析理論、計算機技術等的不斷發(fā)展，現今齒輪壽命已不僅體現在大軸承壽命指標，而是要求整個刀盤驅動長時間免維修。針對盾構刀盤驅動的特點，采用全硬齒面齒輪，大小齒輪均為硬齒面，增加了齒輪許用接觸應力值，提高所有齒輪承載能力，改善齒面疲勞點蝕情況，更抗磨損，改善齒面的塑形變形情況，降低齒面膠合可能性，保證疲勞壽命。為了使配對齒輪壽命相近，小齒輪齒面硬度比大齒輪齒面硬度略高。

(2) 齒面修形。齒面修形是降低制造誤差敏感度、避免嚙合沖擊、改善齒面潤滑狀態(tài)、降低嚙合振動和噪聲、保證齒輪嚙合平穩(wěn)可靠的重要技術手段。對于刀盤驅動高負載高硬度齒輪，在驅動齒輪設計制造中修形是必要的。根據齒輪撓曲、制造誤差、齒輪逐齒變化等因素綜合考慮，采用齒面接觸分析方法[2]，確定修形量、修形方向、拓撲結構。

(3) 動力箱剛度。為了保證驅動齒輪傳動的可靠性，按經典理論計算得到的齒輪中心距，必須根據動力箱和主軸承制造誤差、主軸承游隙、動力箱彈性變形、輪齒彈性變形、時變嚙合剛度[3]等綜合計算確定。因此，動力箱體的剛度是保證齒輪傳動系統(tǒng)可靠性的關鍵要素。動力箱承受齒輪傳動反力和刀盤反作用力，在保證強度前提下，更需要有足夠的剛度。保證動力箱剛度，可以減少箱體變形量，減少齒輪傳動的振動和噪聲，保證齒輪傳動質量和疲勞壽命。

(4) 小齒輪軸支撐形式。小齒輪軸支撐形式有懸臂梁和簡支梁兩種。根據刀盤驅動特點和懸臂梁結構，小齒輪一般設計為鼓形齒，既傳遞扭矩又承受大的徑向載荷，有工作穩(wěn)定、效率高、疲勞壽命長等優(yōu)點。齒向的鼓形，使齒輪嚙合接觸情況好，采用鼓形齒也是懸臂結構降低噪聲的重要手段。但懸臂形式剛性差，存在偏載風險，修形設計難度較大。簡支梁支撐形式整體剛性強度高、變形小、傳動平穩(wěn)、較少產生額外的徑向載荷，可以改善齒輪受力情況；缺點是整體重量偏重，成本略高。對于大直徑高負載的刀盤驅動，簡支梁形式具有明顯的優(yōu)勢。

(5) 驅動冷卻形式分析。驅動冷卻系統(tǒng)主要有稀油冷卻和水冷卻 2 種，在業(yè)內均有廣泛的應用。與稀油冷卻比較，水冷卻效率高、冷卻效果更好。超大直徑盾構刀盤驅動密封旋轉線速度高，采用多翅型密封圈壓密量比 VD 密封圈更大、發(fā)熱量也更高，需要好的冷卻系統(tǒng)冷卻，減少發(fā)熱量。

(6) 稀油潤滑系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要為以下部件提供潤滑：大軸承滾道、齒輪副、小軸承、小軸承支撐軸承。驅動軸承和齒輪的潤滑通過強制循環(huán)加注齒輪油到主驅動油箱中進行潤滑，上部齒輪油無法到達部位需設置噴淋對其進行潤滑，同時小齒輪兩端的軸承也需提供稀油加注進行強制潤滑。小齒輪噴淋口直接開在動力箱體上部的小齒輪中間部分。

(7) 集中潤滑系統(tǒng)。此系統(tǒng)在刀盤驅動裝置的土砂密封圈之間設有油脂補給點，通過集中潤滑系統(tǒng)在推進過程中提供油脂，保證密封面的潤滑和密封。

3 有關計算

軟土泥水平衡盾構機一般有正常掘進工況（推力）、靜扭脫困工況和偏載堵轉工況（1/3 堵轉）3 種工況。靜扭脫困工況是在盾構機啟動時堵轉（或在刀盤卡殼需要加大扭矩脫困時），此時刀盤轉動阻力最大，扭矩最大到脫困扭矩,在盾構機刀盤連鎖設定中，此時會停止推進，無推進阻力。偏載堵轉工況是指當推進速度過快，或者是工作面塌方，或者是掌子面有各類障礙物（沉船、木樁、古墓、孤石等）時，刀盤承受局部集中荷載。一般計算在刀盤底部渣土堆高至約 1/3 直徑刀盤面積處局部受載時，刀盤將停轉。

刀盤驅動裝置幾何形狀左右對稱，載荷約束等邊界條件也是左右對稱，可取一半作為計算模型，并對整個模型進行簡化處理：進一步減少過于復雜龐大的計算模型；在分割面上加對稱約束；與殼體連接法蘭面加固定約束。

圖2 1/3 堵轉、靜扭脫困工況應力云圖

圖3 1/3 堵轉、靜扭脫困工況位移云圖比較

靜扭脫困與 1/3 堵轉工況最大應力均出現在驅動與殼體的連接處，最大應力值分別為 182.000 MPa 和 240.000 MPa（圖 2），在動力箱與殼體連接附近和動力箱靠近主軸承安裝位置的筋板局部出現較高應力約 100.000 MPa。除了應力集中外，驅動結構應力均低于 30.000 MPa。最大位移均出現在驅動內圈。靜扭脫困與 1/3 堵轉工況分別為 0.372 mm 和 1.768 mm（圖 3），與驅動直徑比值分別為 0.004 5% 和 0.079 0%，變形非常小。

4 結 語

綜上所述，刀盤驅動設計的主要關注點有以下幾方面：

(1) 主要參數選擇有足夠的安全余量。

(2) 結構保證高剛度/高強度。

(3) 關鍵部件,如主軸承載荷譜分析計算時提高困難工況占比，提高靜載推力傾覆力矩。

(4) 采用全硬齒面齒輪疲勞強度，抗齒面膠合，增加箱體剛性減少彈性變形量，在交變載荷工況下進行齒面修形，對齒輪中心距進行調整，選擇簡支梁結構齒輪支撐方式。

(5) 多翅型土砂密封相比 VD 密封具有更多的優(yōu)點。

(6) 完善冷卻、稀油潤滑、油脂潤滑輔助配套系統(tǒng)。