3m盾构机减速器的研发

苗闯 李浩

摘 要：随着中国大规模的基础设施建设、西部大开发的实施，中国的铁路、公路、引水、大中型水电站以及国防建设等工程中将有大量的长大隧道需要建设，现代城市建设中的地铁工程、市政工程（排污管、输水管、通讯、电力管道等）、越江隧道也在不断增加。开挖这些大量的地下隧道工程，工期对经济效益和生态环境等方面有着重大影响，而且地下工程掘进工作面又常常受到很大的限制，面对速度、环保、效益等问题，使用盾构机无疑是最好的选择之一。

关键词：盾构机 减速器 自主研发

中图分类号：TH34 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）03（c）-0060-02

盾构机减速器中技术含量最高的产品是主驱动减速器、管片拼装机减速器和螺旋输送机减速器。这3种减速器作为盾构机的主要部件起着至关重要的作用。它的质量直接决定了盾构机可靠性的高低。要实现盾构机的高国产化率，就必须实现减速器的国产化。

1 主要研究技术内容、预期目标及创新点

盾构机中的主驱动减速器、管片拼装机减速器和螺旋输送机减速器都是采用的大致相同的行星结构，所以在技术研究上都是相同的。

1.1 高功率密度行星齿轮减速器设计技术

由于结构限制和大功率传动需要，盾构机减速器是采用NGW型的渐开线行星齿轮传动方式。在合理的均载机构保证下设计成三行星或更多行星的结构，太阳轮和行星轮采用含鎳、铬的合金钢材料、渗碳淬火磨齿工艺，齿面硬度HRC58-62，齿轮精度根据计算和实验最终确定，不低于GB 10095中的6级；内齿圈采用中碳调质铬、钼或镍、铬合金钢，调质处理齿面硬度HB300左右，齿轮精度不低于GB 10095中的7级，必要时采用感应淬火后磨齿工艺。以我们现在的设计技术可以达到工况系数KA=1时，100～120kN.m/1000kg，因此我们可以有把握地设计出尺寸小、重量轻的低速重载齿轮箱。

1.2 多行星轮传动的啮合均载技术

行星传动装置之所以具有体积小、重量轻、承载能力高的优点，主要是由于在结构上利用了多个行星轮分担载荷，形成功率分流，并合理使用内啮合传动的效果。因此，使行星轮载荷均衡，就是要求太阳轮传递给各行星轮的作用力相等，但这种理想的受力状态实际上是很难达到的。从结构上采取措施，在行星减速器中采用合理的均载机构，是不依赖工艺条件、简单经济的办法。

在行星减速器中，对基本构件如太阳轮、内齿轮、行星架不加径向支撑，允许做径向及偏转位移，当受载不均衡时，即可自动定心，直至各行星轮间载荷均匀分配为止。这就是，通过基本构件浮动来增加机构的自由度消除或减少虚约束，达到均载的目的。

1.3 减速器水冷结构设计及温升控制

主驱动减速器同其他减速器相同，主要的热源有齿轮副啮合传动产生的热量和轴承的摩擦发热。但由于该减速器单位体积承载能力更大，而且取消了外壳，直接将内齿轮作为壳体，紧凑的内部结构、内外同时啮合形成的集中热量、有限的散热表面使减速器传热条件变坏，有必要采取有效的措施去除影响减速器正常工作的不利因素。根据刀盘驱动系统的行星减速器现场工作条件采用循环冷却油强制散热的办法为减速器散热。

1.4 齿轮热处理及变形控制技术

开展热处理工艺技术条件及各工艺过程的控制技术的研究，由于硬齿面齿轮在啮合齿面接触处有很大的接触应力，同时齿根部承受最大弯曲应力，因此在齿轮工作过程中其失效形式主要表现在断齿、齿面磨损、塑性变形等。特别是大功率减速器齿轮其受力情况更加复杂，不仅齿面要有足够的硬度和耐磨性，而且要提高轮齿芯部的强度和韧性等综合机械性能，才能满足齿轮的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度的更高要求，因此采用硬齿面技术，通过对优质低碳合金钢渗碳淬火的热处理工艺方法是最有效的途径。

采用渗碳淬火磨齿工艺加工的齿轮，有良好的耐磨表面、合理的硬度梯度、适当的芯部硬度配合、完美的精度控制，为高强度齿轮提供了可靠保证。

齿轮的热处理主要工艺方法是调质、表面感应淬火、渗氮、渗碳。采用调质工艺已满足不了高功率密度减速器的使用强度要求；表面感应淬火，其淬硬层分布硬度较陡，淬硬层质量不宜控制，齿根与齿面淬硬层分布不一致，特别是淬火温度控制较难，同时硬度有一定的限制，反应在使用过程中点蚀和断齿较多；采用渗氮工艺，因其实现的层浅无法满足高功率密度要求；而渗碳淬火工艺随着现代技术的发展已完全实现了计算机控制，使工艺过程得以精确把握，表面硬度可达到HRC54～62范围内任意控制，同时硬化层分布合理、均匀。渗碳齿轮的硬度比调质硬度提高近100%。

采用渗碳淬火磨齿工艺加工的齿轮，由于承载能力的提高，从而减轻了齿轮的尺寸及相应的重量，使减速器实现了体积小、重量轻和高性价比，可以满足土压平衡盾构大功率减速器在单位体积内传递最大的扭矩的要求。

通过对热处理渗碳工艺研究，采用新型渗碳炉，渗碳过程实现微机控制，各渗碳区间可以仿真。保证有效硬化层的深度和硬度梯度的合理分布。淬火油采用快速光亮淬火油，最大限度地减薄齿面脱碳层，通过渗碳淬火过程控制，避免出现网状碳化物，保证磨齿过程中不出现裂纹，金相组织满足要求。

2 国内外相关产品与技术发展水平、现状及发展趋势

国际上，盾构机的发展经历了一个较漫长的过程。从1845年开始的l00多年的时间里，全世界的发明家都在寻找实现岩石隧道掘进机械化的方法。直到1952年，美国罗宾斯公司的创始人——吉姆斯·罗宾斯先生开发了第一台具有实用性的、开掘岩石隧道的岩石掘进机，找到了岩石隧道掘进机械化的方法。

此后至今的40年来，无论是岩石掘进机还是盾构掘进机都得到了突飞猛进的发展。使用岩石掘进机掘进的隧道已超过l0000km，盾构机掘进的隧道更多。目前，在国际上盾构机技术已经成熟，已达到工作可靠性高、定向精度高、自动化水平高、适应能力强、掘进速度快、使用寿命长等苛刻要求。

而实现这些苛刻要求的前提就是盾构机中的减速器需要具有较高的可靠性。目前国内减速器产品的设计水平与国际上相差无几，我们需要提高的关键点主要集中在材质、热处理和工艺手段上。这些是我们主要的研究内容。

3 结语

经历了几个月的减速器研发工作，其中遇到了很多困难，但是由于大家的帮助和笔者对研发设计的执着，克服了种种障碍成功地完成了3m盾构机减速器的这项工作，这不仅是对笔者个人努力的一种肯定，也是对团队合作的一种赞誉。

参考文献

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[3] 朱秀娟.有限元分析网格划分的关键技巧[J].机械工程与自动化，2009（1）：185-186.