土压平衡盾构主轴承的结构设计分析

吉冰旭，周 琳，徐绍仁，许明奇，谢兴会

（洛阳LYC轴承有限公司 技术中心，河南 洛阳 471039）

盾构机代表了隧道掘进装备的发展方向。随着国民经济和城市建设的快速发展，地下空间的开发利用越来越迫切，对盾构机的市场需求日益剧增，我国正在成为世界上盾构机需求量最大的国家。用盾构机进行隧道作业，具有自动化程度高，节省人力，施工速度快，一次成洞，不受气候影响，开挖时可控制地表沉降，减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点。

土压平衡盾构主轴承（简称盾构主轴承）是盾构机的关键部件，使用在盾构刀盘系统上。由于盾构机在既定施工段不允许失效，盾构主轴承的寿命和可靠性直接影响盾构机械的施工安全。盾构主轴承在重载、变载条件下工作，要承受轴向力、径向力、倾覆力矩等复合载荷。

土压平衡盾构机主要应用于软性黏土，但考虑到复合型的土压平衡盾构机应用时可能遇到复杂地质状况，高承载能力仍是设计的关键。为了保证轴承达到预期的性能及寿命，它的高可靠性以及高承载能力、高密封性能、高精度均为设计、制造的追求目标。下面将对盾构主轴承的结构设计进行分析。

1 轴承结构

盾构主轴承是竖直放置，需要承受轴向力、径向力、倾覆力矩等复合载荷，目前国外都采用三排圆柱滚子组合轴承结构。图1为盾构主轴承的结构图，内圈为整体带齿套圈，外圈为双半套圈组合结构。图1中，上排滚子承受轴向力，下排滚子承受倾覆力矩产生的反向推力，径向滚子承受径向力。该轴承受力非常明确，容易得到准确的计算结果，而且上、下滚道面均为平面，加工精度也容易保证，测量相对简单，易获得高的旋转精度，从而保证轴承的可靠性。目前在国外机型上这种结构轴承大量采用。

图1 三排圆柱滚子组合盾构主轴承

但图1轴承内圈的安装孔为通孔，限制了滚子的长度。近年来，主机减小了安装空间，调小了内、外圈安装孔距离，减小了轴承厚度，将内圈安装孔由通孔改为带螺纹的盲孔结构。如此以来，主推力滚子长度可以加长。改变后的轴承结构如图2所示。

图2 新结构盾构主轴承

2 设计原则

2.1 材料的选择

目前，国外对于该轴承套圈的材料均采用42CrMoV，相当于我国的42CrMo，调质处理，硬度为229～269 HB，无损探伤级别按JB／T5000.15—1998中的Ⅱ级标准执行。

2.2 设计指标

轴承主参数设计时应考虑安全系数和寿命指标。

在盾构主轴承的受力中，承受最大的是轴向力，倾覆力矩相对较小，因此重要的是主推力滚道安全系数的选择。主推力滚道安全系数一般最小，实际设计中，参考国外设计主推力滚道安全系数应达到1.2以上；反推力滚道安全系数较大，一般都可以达到1.4以上；径向滚道安全系数应在1.35以上。

由于盾构工作的特殊性，主轴承一旦开始挖掘，出了问题几乎无法拆卸，因此轴承的可靠性和寿命非常关键，目前，国外对盾构主轴承寿命的要求是10 000 h或者10 km。

2.3 轴承精度

为保证盾构主轴承的稳定运转和受力均匀，轴承各配合面公差应按7级控制，各配合面之间对同轴度都有一定的要求。装配后轴承的旋转精度应达到P5。国外轴承的成品精度远高于P5。

2.4 轴承密封结构

盾构主轴承的油孔类型多，除了两排轴承自用的两种油孔外，还有数种油孔供轴承安装部件用。轴承的密封主要在于防止杂物如沙土等从轴承端面及外径、外圈两半端面处进入，同时也为防止润滑油的泄漏。所采取的密封主要为：轴承端面与轴承安装座之间有两道密封槽；在两半外圈的中间有两道密封；每个油孔的外面都设有环形槽来防止各个油路润滑油的互通。在两半外圈面之间，还应该涂有密封胶来保证贴合紧密。主轴承密封位置如图1所示。

2.5 轴承软带位置的可靠性

普通三排圆柱滚子组合轴承的两半套圈的软带位置，是放在一处或者呈180°放置，轴承安装时软带位置与轴承的受力作用线相隔90°。这种软带位置的放法，只能保证软带位置在载荷较小处，而不能确保上、下两滚道的软带都在载荷最小处。

针对盾构主轴承的受力特点，其软带位置的设计如图3所示。对于主推力滚道，载荷最小的位置应该在最上方，故软带位于最上方；对于反推力滚道，则受力最小的位置在最下方，软带位置应放最下方。这种有针对性的设计确保轴承软带位置在载荷最小处，提高了轴承的可靠性。

图3 主轴承软带位置图

2.6 轴承滚道和挡边热处理

JB／T10471—2004《滚动轴承 转盘标准》中规定滚道硬度为55～62 HRC，为提高轴承的承载能力和寿命，滚道硬度应在57 HRC以上。

轴承竖直使用，为提高保持架的引导精度，减小其与挡边的摩擦，轴承的挡边也应进行淬火并磨削。为避免二次淬火后影响滚道的硬度，滚道和挡边可同时淬火。

2.7 保持架结构

2.7.1 轴向保持架

普通三排圆柱滚子轴承的轴向保持架有铝制或铜制轮番兜孔（半圆弧兜孔）和带支脚的直兜孔钢制保持架两种形式。这两种保持架，在水平放置的轴承上应用比较合适，而在竖直放置的轴承上使用时，和挡边摩擦比较严重。对于竖直使用的盾构主轴承保持架，可采取以下两种方案。

对于轴向位置充足的轴承结构，可采用分段钢制直兜孔保持架，并在保持架的上、下端面焊接铜块，以保证保持架和滚子同心并减小保持架和滚道面的摩擦和磨损（图4）。保持架内、外径焊接铜块可以减小保持架和挡边的摩擦及磨损。这种保持架既有足够的强度，又有好的经济性，是广泛采用的结构。

图4 轴向保持架结构图

对于轴向空间不足的轴承结构（图2），可采用全铜分段直兜孔保持架。保持架实体和上、下支脚以及内、外减磨块一起铸出，这样可以减小保持架内、外径方向的壁厚；同时因为不用留焊接位置，可以减小保持架的梁宽，有效地提高了轴承的承载能力。对于尺寸小的盾构主轴承，可以做成整体保持架。

2.7.2 径向保持架

对于径向保持架，可根据滚子直径的大小选择分段带铜镶块的直兜孔钢制保持架或全铜直兜孔保持架（图5）。

2.8 齿轮表面处理

盾构主轴承齿轮的齿面和齿根应进行淬火，齿面硬度为50～60 HRC，齿根硬度达45 HRC以上。

图5 径向保持架结构图

3 结束语

根据以上盾构主轴承的结构分析和设计原则，已完成了2.6 m盾构主轴承133.90.2245.03的设计和制造，设计参数指标与国外先进公司水平相当，可以满足土压平衡盾构主机要求。尤其在滚道和挡边、软带位置和保持架结构的设计方面具有国际先进水平。