楊 震，陳光富，闕洪軍，姜 波

(重慶齒輪箱有限責(zé)任公司,重慶 402263)

0 引 言

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟迅速發(fā)展，城市人口過度集中，導(dǎo)致公共交通壓力驟增，亟需開展各類基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程項目。由于城市地鐵、高速鐵路、各類公路建設(shè)需開建大量隧道，而隧道由于地質(zhì)情況復(fù)雜、掘進難度大、人力成本高等因素的限制，給盾構(gòu)機(隧道掘進機)提供了廣闊的市場前景[1-2]。盾構(gòu)機已經(jīng)在我國交通建設(shè)和城市發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的作用，然而我國使用的大部分盾構(gòu)機整機或核心部件均依賴于進口，價格昂貴且核心技術(shù)封鎖[3]。所以實現(xiàn)大功率高承載主驅(qū)動減速機國產(chǎn)化，對提升我國裝備制造業(yè)的自主創(chuàng)新能力與核心競爭力具有重要的意義。因此，設(shè)計一種新型減速機動力傳動結(jié)構(gòu)具有重要的理論與工程應(yīng)用價值。

關(guān)于隧道掘進機各部件結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的研究工作。?？桌诘萚4]研究了盾構(gòu)機主驅(qū)動減速機的失效機理，其研究結(jié)果可為減速機結(jié)構(gòu)合理設(shè)計提供工程參考，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計時需考慮到實際工作狀態(tài)下的掘進參數(shù)、機構(gòu)受載情況等因素。劉珍來[5]建立了土壓平衡盾構(gòu)機的三級行星減速器的數(shù)值仿真模型，得到了行星架強度及剛度在時變載荷作用下的變化規(guī)律。肖正明等[6]根據(jù)實驗?zāi)B(tài)分析理論，對減速器結(jié)構(gòu)進行了模態(tài)實驗，獲取到的模態(tài)參數(shù)可提供減速機結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)。Ligata等[7]基于試驗分析了制造誤差對減速機行星輪系均載及齒輪應(yīng)力的影響。

針對TBM170113主驅(qū)動減速機結(jié)構(gòu)，建立了各級行星架的有限元分析模型，得到了不同工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)變及應(yīng)力情況；并且進行了主驅(qū)動減速機空載、加超載試驗，試驗結(jié)果表明該減速機結(jié)構(gòu)強度滿足工作要求，驗證了該型主驅(qū)動減速機產(chǎn)品設(shè)計的合理性。

1 主驅(qū)動減速機結(jié)構(gòu)設(shè)計

盾構(gòu)機整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)機整體結(jié)構(gòu)

主驅(qū)動減速機總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主驅(qū)動減速機主要由冷卻裝置部套、一級行星部套、二級行星部套、三級行星部套組成。其中齒輪傳動部分采用三級NGW行星結(jié)構(gòu)，呈水平安裝狀態(tài)。輸入端安裝冷卻裝置部套，供冷卻水循環(huán)進出，實現(xiàn)減速機輸入軸部分及高速行星級冷卻功能，完成熱交換過程，達到控制工作過程中油溫的目的，保證減速機整體正常運轉(zhuǎn)。

圖2 主驅(qū)動減速機整體結(jié)構(gòu)

2 有限元建模與分析

2.1 有限元模型建立

首先在SolidWorks 中建立行星架結(jié)構(gòu)的三維實體模型，并將模型中的微小倒角處進行簡化處理。而后將該模型導(dǎo)入ANSYS Workbench平臺中，采用四面體結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分，并在局部位置細化網(wǎng)格處理，其有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 行星架有限元網(wǎng)格模型

各級行星架邊界條件分別進行設(shè)置，其中一級行星架小端內(nèi)孔面采用固定約束，三個行星軸支撐面添加軸承接觸載荷；二級行星架小端內(nèi)孔面采用固定約束，四個行星軸支撐面添加軸承接觸載荷；三級行星架左端內(nèi)孔面采用固定約束，兩端外圓圓柱進行支撐約束，四個行星軸支撐面添加軸承接觸載荷。

2.2 結(jié)果分析

由于行星架在減速機中起著傳遞巨大扭矩的作用，對其強度有較高要求，因此主要對行星架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變情況進行分析。圖4～9分別給出了一、二、三級行星架的靜力學(xué)分析云圖。

圖4 額定工況下一級行星架位移及應(yīng)力情況

圖5 極限工況下一級行星架位移及應(yīng)力情況

圖6 額定工況下二級行星架位移及應(yīng)力情況

圖7 極限工況下二級行星架位移及應(yīng)力情況

圖8 額定工況下三級行星架位移及應(yīng)力情況

圖9 極限工況下三級行星架位移及應(yīng)力情況

經(jīng)過對各級行星架結(jié)構(gòu)靜力學(xué)有限元分析可知，在額定工況及極限工況時行星架的最大綜合位移與最大等效應(yīng)力如表1所列。由表可知，行星架的最大等效應(yīng)力為242.62 MPa，小于行星架材料ZG42CrMo的屈服極限510 MPa，三級行星架強度均滿足要求。第三級行星架綜合位移較一、二級更大，最大位移為0.196 5 mm，均滿足設(shè)計要求。

表1 各工況下行星架綜合位移與等效應(yīng)力

3 試驗驗證

3.1 試驗方案

對每一臺減速機進行空載試驗與加超載試驗，空載試驗試驗臺由固定機架、測試減速機及拖動電機組成。其中加超載試驗采用兩臺主驅(qū)動減速機同軸對拖，通過電反饋方式進行測試，分別按20%、40%、60%、100%四檔加載，120%、130%、140%三檔超載，試驗系統(tǒng)由拖動電機、增速箱、測試減速機、陪試減速機及加載電機組成?，F(xiàn)場設(shè)備布置情況如圖10所示。

圖10 試驗現(xiàn)場布置圖

3.2 試驗結(jié)果

空載試驗在環(huán)境溫度為38℃的環(huán)境中進行，輸入扭矩設(shè)置為0，即空載狀態(tài)，首先進行輸入軸順時針(面對輸入軸)轉(zhuǎn)動方向試驗，試驗采取的數(shù)據(jù)如表2所列。之后進行逆時針方向的試驗，試驗采取的數(shù)據(jù)如表3所列。

表2 順時針方向空載試驗

表3 逆時針方向空載試驗

由表2、3可以看出，進行空載試驗時，減速機正反轉(zhuǎn)各50 min，最高溫升出現(xiàn)在輸入油封處，為13 ℃，且在試驗過程中減速機整體無異響，潤滑油及冷卻水無滲漏情況出現(xiàn)，各項性能指標滿足要求，整體呈合格狀態(tài)。

加超載試驗在環(huán)境溫度為28 ℃的環(huán)境中進行，輸入轉(zhuǎn)速恒定為2 000 r/min，輸入扭矩按照表4、5所列進行設(shè)置，同樣按照空載時的試驗方案進行順、逆針方向的試驗，試驗所采數(shù)據(jù)如表4、5所列。

表4 順時針方向加超載試驗

表5 逆時針方向加超載試驗

由表4、5可以看出，進行加超載試驗時，減速機在2 000 r/min的轉(zhuǎn)速下各進行正反轉(zhuǎn)，在不同扭矩值下的工作時間如表所示，可以看出油溫與齒圈溫度波動較大，溫升分別為7.5 ℃與5.4 ℃，而進出水溫度維持較為穩(wěn)定，冷卻效果符合預(yù)期，同時在試驗過程中無異響、滲透等情況發(fā)生，各項性能指標合格。

試驗結(jié)果表明，本文研制的行星架結(jié)構(gòu)可在減速中起到良好的運行效果，各項指標滿足行業(yè)規(guī)定，目前也已成功量產(chǎn)，待進一步在工程應(yīng)用中得到檢驗。文中研制的主驅(qū)動減速器實物如圖11所示。

圖11 主驅(qū)動減速機實物

4 結(jié) 論

(1)在極限工況下，減速機行星架的最大等效應(yīng)力為242.62 MPa，小于行星架材料的屈服極限510MPa，三級行星架強度均滿足要求。第三級行星架綜合位移較一、二級更大，最大位移為0.1965 mm，均滿足設(shè)計要求。

(2)此文開展了減速機空載、加超載試驗，試驗結(jié)果表明該型減速機各密封部位無滲漏、無異響出現(xiàn)，溫升、振動等性能指標均滿足技術(shù)要求。研制的減速機行星架結(jié)構(gòu)可在盾構(gòu)機中起到良好的運行效果，各項性能指標滿足相關(guān)標準。