隧道掘进机主驱动减速机研制与分析*

2021-03-22陈光富阙洪军

机械研究与应用 2021年1期

杨震，陈光富，阙洪军，姜波

(重庆齿轮箱有限责任公司,重庆 402263)

0 引言

近年来，随着我国国民经济迅速发展，城市人口过度集中，导致公共交通压力骤增，亟需开展各类基础设施建设工程项目。由于城市地铁、高速铁路、各类公路建设需开建大量隧道，而隧道由于地质情况复杂、掘进难度大、人力成本高等因素的限制，给盾构机(隧道掘进机)提供了广阔的市场前景[1-2]。盾构机已经在我国交通建设和城市发展中发挥着不可替代的作用，然而我国使用的大部分盾构机整机或核心部件均依赖于进口，价格昂贵且核心技术封锁[3]。所以实现大功率高承载主驱动减速机国产化，对提升我国装备制造业的自主创新能力与核心竞争力具有重要的意义。因此，设计一种新型减速机动力传动结构具有重要的理论与工程应用价值。

关于隧道掘进机各部件结构，国内外学者进行了大量的研究工作。常孔磊等[4]研究了盾构机主驱动减速机的失效机理，其研究结果可为减速机结构合理设计提供工程参考，包括结构设计时需考虑到实际工作状态下的掘进参数、机构受载情况等因素。刘珍来[5]建立了土压平衡盾构机的三级行星减速器的数值仿真模型，得到了行星架强度及刚度在时变载荷作用下的变化规律。肖正明等[6]根据实验模态分析理论，对减速器结构进行了模态实验，获取到的模态参数可提供减速机结构设计依据。Ligata等[7]基于试验分析了制造误差对减速机行星轮系均载及齿轮应力的影响。

针对TBM170113主驱动减速机结构，建立了各级行星架的有限元分析模型，得到了不同工况下的结构应变及应力情况；并且进行了主驱动减速机空载、加超载试验，试验结果表明该减速机结构强度满足工作要求，验证了该型主驱动减速机产品设计的合理性。

1 主驱动减速机结构设计

盾构机整体结构如图1所示。

图1 盾构机整体结构

主驱动减速机总体结构如图2所示，主驱动减速机主要由冷却装置部套、一级行星部套、二级行星部套、三级行星部套组成。其中齿轮传动部分采用三级NGW行星结构，呈水平安装状态。输入端安装冷却装置部套，供冷却水循环进出，实现减速机输入轴部分及高速行星级冷却功能，完成热交换过程，达到控制工作过程中油温的目的，保证减速机整体正常运转。

图2 主驱动减速机整体结构

2 有限元建模与分析

2.1 有限元模型建立

首先在SolidWorks 中建立行星架结构的三维实体模型，并将模型中的微小倒角处进行简化处理。而后将该模型导入ANSYS Workbench平台中，采用四面体结构进行网格划分，并在局部位置细化网格处理，其有限元网格模型如图3所示。

图3 行星架有限元网格模型

各级行星架边界条件分别进行设置，其中一级行星架小端内孔面采用固定约束，三个行星轴支撑面添加轴承接触载荷；二级行星架小端内孔面采用固定约束，四个行星轴支撑面添加轴承接触载荷；三级行星架左端内孔面采用固定约束，两端外圆圆柱进行支撑约束，四个行星轴支撑面添加轴承接触载荷。

2.2 结果分析

由于行星架在减速机中起着传递巨大扭矩的作用，对其强度有较高要求，因此主要对行星架结构的应力应变情况进行分析。图4～9分别给出了一、二、三级行星架的静力学分析云图。

图4 额定工况下一级行星架位移及应力情况

图5 极限工况下一级行星架位移及应力情况

图6 额定工况下二级行星架位移及应力情况

图7 极限工况下二级行星架位移及应力情况

图8 额定工况下三级行星架位移及应力情况

图9 极限工况下三级行星架位移及应力情况

经过对各级行星架结构静力学有限元分析可知，在额定工况及极限工况时行星架的最大综合位移与最大等效应力如表1所列。由表可知，行星架的最大等效应力为242.62 MPa，小于行星架材料ZG42CrMo的屈服极限510 MPa，三级行星架强度均满足要求。第三级行星架综合位移较一、二级更大，最大位移为0.196 5 mm，均满足设计要求。

表1 各工况下行星架综合位移与等效应力

3 试验验证

3.1 试验方案

对每一台减速机进行空载试验与加超载试验，空载试验试验台由固定机架、测试减速机及拖动电机组成。其中加超载试验采用两台主驱动减速机同轴对拖，通过电反馈方式进行测试，分别按20%、40%、60%、100%四档加载，120%、130%、140%三档超载，试验系统由拖动电机、增速箱、测试减速机、陪试减速机及加载电机组成。现场设备布置情况如图10所示。