微型土压平衡盾构机管片拼装系统齿轮强度分析与优化

2014-04-21孙璎南聂瑞赵海峰王世杰

机械工程师 2014年2期

孙璎南，聂瑞，赵海峰，王世杰

（1.沈阳工业大学机械工程学院，沈阳110870；2.北方重工集团盾构机分公司，沈阳110141）

0 引言

盾构机是一种先进的隧道施工机械，管片拼装机是其关键部件之一，管片拼装的质量直接影响到工程的质量。精确、快速的管片拼装将有效缩短工期，获得更大的效益。盾构隧道施工中完成这一重要工序的部分就是盾构机中的管片拼装机［1］，对其进行强度分析并进一步进行结构优化对盾构施工有着重要意义。

1 管片拼装机基本结构与工作原理

图1 管片拼装机的基本结构示意图

管片拼装机的基本结构如图1所示，主要由回转机构、平移机构、提升机构、管片夹持机构和管片微调机构组成。回转机构和平移机构主要完成管片的转动、径向移动、轴向移动；提升机构主要完成管片竖直方向的移动；管片夹持机构主要负责管片的夹取、锁紧和脱离；微调机构主要用来调节油缸完成管片在最终定位前的摇摆、俯仰和偏转动作［2］。

管片拼装机将自动输片装置输送来的管片夹持锁紧，升降油缸提升管片，平移机构将提起的管片移到拼装的横断面位置，回转机构将该管片旋转到管片安装的径向位置，完成管片在隧道中的初步定位。再用偏转油缸、俯仰油缸和举升油缸微调定位，使待装管片的螺栓孔与前一环前一片管片的螺栓孔对齐，当一环管片安装完成后，用螺栓将环向及轴向相邻的管片按一定的力矩进行联接，完成管片的拼装［3］。

图2 管片拼装形式示意图

这里试验用φ3.27 m微型土压平衡盾构机配套使用的管片拼装机，所用的管片外径为2 900 mm，内径为2 400 mm。管片拼装形式如图2所示，为3个A型标准块+2个B型相邻块+1个K型封顶块，共6块。每块管片厚度为 250 mm，宽度为1 000 mm。其中：每一整环管片中A型标准管片3块，每块所对的中心角为 70°；B 型相邻管片2块，每块所对的中心角为 60°；K 型管片一块，所对的中心角为30°。B型管片与K型管片之间采用楔形拼装形式，K型管片为封顶块，在拼装K型管片时，要先径向搭接3/5的管片宽度，然后再纵向插入，6块管片拼装成一整环并挤紧，管片与管片之间通过螺栓连接起来以承受径向的压力。在管片安装过程中，一般管片拼装的顺序为：先安装最底端的A型标准块；然后依次安装两边的A型标准块；再依次安装两端的B型相邻块；最后安装K型封顶块。

2 管片拼装机的回转机构

回转机构实现管片沿切线方向的回转运动，齿轮传动具有传动比准确、传动稳定、控制精度高等优点，所以采用了小齿轮驱动大齿圈的设计方案，大齿圈的设计要求重量轻、尺寸小、强度刚度满足设计要求。

图3 回转机构基本结构示意图

管片拼装机的回转机构基本结构如图3所示，大齿圈通过20个均匀分布的M30的螺栓与回转盘体连接在一起，整个盘体随大齿圈一同转动。回转机构的主要功能是在拼装管片的过程中提供回转力矩，并且为整个拼装系统提供支撑。液压马达的输出扭矩和转速通过减速器传给小齿轮，小齿轮与大齿圈啮合形成一级直齿圆柱齿轮传动，再经小齿轮与大齿圈的圆柱齿轮传动传给回转盘体，从而驱动回转盘体连同安装在其上的提升机构、管片夹持机构及管片作回转运动。

3 回转机构齿轮接触有限元分析

小齿轮与大齿圈相互啮合组成的传动构件作为管片拼装机回转运动的实现机构，大齿圈要承受回转力矩和管片安装时的所有周向定位载荷，其使用寿命将直接影响到整个管片拼装系统的工作寿命。为了保证齿轮在规定的使用寿命下正常工作，需要保证齿轮满足接触疲劳强度要求。这里利用ANSYS Workbench软件对管片拼装机回转机构的齿轮进行接触疲劳强度分析，分析小齿轮与大齿圈相互啮合实现管片拼装机回转运动时齿轮齿面、齿根应力变化情况并对其进行强度校核。

3.1 齿轮接触有限元分析的前处理

1）齿轮齿圈模型的简化与模型的导入。用ANSYS Workbench软件进行齿轮接触有限元分析时，选用整个大齿圈作为分析模型，需要较多的单元和节点，内存和求解时间需求量大，对计算结果精度的影响却很小。这里考虑到对齿轮做的是静态接触分析，只有在齿轮啮合部分的几个轮齿接触应力变化明显，远离接触区的轮齿应力变化很小。所以将大齿圈的模型进行删减，只保留啮合区附近的轮齿。然后通过数据传输导入ANSYS Workbench中，导入后模型如图4所示。

图4 导入后的齿轮啮合模型图

2）定义模型材料和网格划分。齿轮的材料为40Cr，调质处理，材料的密度为籽＝7.8×103kg/m3，所选材料的弹性模量为E＝2.1×1011Pa，泊松比u=0.3，划分网格后的模型，如图5所示。

图5 划分网格后的齿轮模型

3）齿轮啮合接触面的确定。划分完网格后接下来确定齿轮啮合的接触面，ANSYS Workbench软件自动识别的齿轮啮合的接触面，如图6所示。

图6 齿轮啮合的接触面

在确定接触面后还需定义摩擦因数，在接触方式Type后将摩擦因数Friction Coefficient设置为0.2。

4）施加约束。对于大齿圈，在Fixed Support界面下对大齿圈施加约束，将大齿圈设置为固定不动，选择大齿圈左右两个截面施加约束，如图7所示。

图7 对大齿圈施加约束

对于小齿轮，在Remote Displacement界面下对小齿轮施加约束，只允许小齿轮沿Z轴方向转动，如图8所示。

5）施加载荷。当与回转机构相连的升降油缸达到最大行程位置时，小齿轮有最大力矩T=5 139 935 N·mm，这里选用这个最大工况载荷进行齿轮的接触强度分析，施加载荷后的模型，如图9所示。

图8 对小齿轮施加约束

图9 对小齿轮施加载荷

3.2 齿轮接触疲劳强度分析结果

齿轮接触疲劳强度分析结果如图10所示。

图10 小齿轮齿面应力云图

从图10中可以清晰地看出最大应力为 92 MPa，最大应力出现在小齿轮节线附近，符合实际情况。齿根弯曲应力分布在齿轮齿根过渡圆弧曲面上，最大值位于齿根过渡圆弧面上，值为92 MPa，从图10中可以看出齿轮接触面上的接触应力最大值为92 MPa。

4 齿轮传动的强度校核与结构优化

1）齿轮的强度校核。由于小齿轮直径小，危险系数也高，所以这里只对小齿轮进行齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度校核。

式中，滓Hlim为试验齿轮的接触疲劳极限，ZN为接触强度寿命系数，SHmin为强度最小安全系数。

本设计的齿轮材料选用40Cr，调质处理，齿面硬度280HBS，强度极限滓B＝700 MPa，屈服极限为滓S＝500 MPa。查文献［4］表14-1-122得小齿轮接触疲劳极限滓Hlim＝680 MPa，接触强度寿命系数 ZN=1.12，取 SHlim=1，代入式（1）计算［滓H］＝761.6 MPa，小齿轮节线附近的最大应力为92 MPa，小于许用值，所以小齿轮满足接触疲劳强度。