基于盾构机驱动刀盘减速机的故障分析

李伟

摘 要：盾构是隧道工程中最常用的设备之一，刀盘是盾构设备主驱动系统中的重要组成部分，而减速箱是刀盘系统中的核心部件。因此，针对盾构机驱动刀盘减速机的故障进行分析，能够为工程机械设备驱动设计的改进和创新，提供参考意见。本文中以此为研究点，深入地分析基于盾构机驱动刀盘减速机的故障，研究故障产生的原因，以期通过该种方式为设计者提供更多的改进和创新的参考建议，为我国机械设备的研发奠定基础。

关键词：盾构；机构驱动；刀盘；减速机；齿轮

中图分类号： U455.43 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）34-186-2

0 引言

盾构机驱动刀盘减速机故障是影响盾构机驱动的主要原因，也是影响盾构机在工程中的应用效率的主要原因。近几年随着我国自主设备研究水平的逐渐提升，在盾构机驱动刀盘减速机的研究与设计上获得了突破性的进展。我国自主研发的盾构机驱动刀盘减速机也在国家重大工程中应用，打破了国外技术垄断和封锁的现象。但是，在实际应用和操作过程中发现盾构机驱动刀盘减速机仍然存在故障，因此，为进一步强化我国自主研发技术，为机械设备的应用与生产做出贡献，应该进一步分析产生原因，从而有效地为实际技术研发和工程应用提供改进参考建议。

1 减速机及盾构机驱动刀盘

减速机是机械设备中最重要的组成部分之一，其利用原动机和工作机结构之间匹配转速和传递转矩的作用实现对机械设备的减速[1]。齿轮是减速机中重要的组成零件之一，根据齿广轮的形状当前我国减速机分为圆柱齿轮减速机、圆锥齿轮减速机和圆锥-圆柱齿引轮减速机。盾构机是地下隧道工程开发过程中使用的一种密集型重大工程装备，而刀盘是盾构设备中的重要组成部分，也是地下隧道工程开发所使用的主要部分之一。为满足盾构设备在工程中的应用，其自身驱动系统需要具有功率大、扭矩输出大、抗冲击、转速双向连续可调等特点。

2 盾构机驱动刀盘减速机工作原理

盾构机驱动系统内部主要包含马达、主减速器、小齿轮减速单元、大齿轮减速单元等结构。盾构机驱动系统是刀盘工作过程中的动力传动机构，被用来驱动刀盘旋转，从而实现刀盘切割土层的目的。单盘通过螺栓连接固定的前承压隔板中的法轮，实现刀盘逆时针或顺时针旋转，本次论文中的盾构机驱动刀盘直径为6.28m，总功率为1520W，刀盘最大扭矩值为5300kN·m，最大推进力为30000kN，挖掘的最大速度为0.08m/min，刀盘最大转速为6r/min。刀盘传动工作图见图1[2]。

盾构机驱动刀盘减速机工作传动中为了进一步地稳定刀盘的低转速和大扭矩下的工作，一般采用的是行星齿轮结构，从而达到完成复杂结构、高功率的作用。内部主减速箱内含有三级行星减速装置，每一个层次的行星减速装置之间采用螺栓连接的方式，由太阳轮提供机械设备的传动动力。此外，每一个行星减速层次中含有单独的减速结构，减速结构内部有太阳轮、齿圈、行星架、行星齿轮等组成。其工作的过程中利用太阳轮与行星齿轮相反方向内啮合转动和行星齿轮与齿圈相同方向内啮合转动实现内层次单独减速的工作原理[3]。

盾构机驱动刀盘减速机在实际工作过程中的工作原理是利用各个层次的减速机作用，共同实现主驱动大齿轮的减速作用。大齿圈在工作过程中利用螺栓、定位销与刀盘链接作用，为减速机的工作提供动力，从而驱动刀盘达到旋转工作的目的，最终实现切削土质的作用。与此同时，盾构机驱动刀盘减速机还可以在工程中执行挖掘任务，但是在该任务操作的过程中需要对刀盘的旋转进行重新启动，实现刀盘旋转推进的模式。利用油缸的动力和大齿轮作用，推进刀盘，使其实现连续切削挖掘工作的目的。

3 盾构机驱动刀盘减速机齿轮故障

3.1 齿轮损坏故障

齿轮损坏故障分为几种不同的类型。当前我国盾构驱动刀盘减速机齿轮损坏故障主要分为齿轮断齿、疲劳点损坏、剥落和齿面磨损四种类型。进一步对盾构机驱动刀盘减速机故障的发生率进行研究，发现其中齿轮疲劳点损坏是盾构机驱动刀盘减速机齿轮故障中最常产生的一个故障类型[4]。盾构机驱动刀盘减速机疲劳点损坏根据特征会出现点状麻点、凹坑等，因此根据齿轮疲劳点损坏程度可以将其分为初始点损坏、破坏性损坏和表面剥落性损坏三种类型。其中初始点损坏主要是非扩展性的损坏，一般不会对齿轮本身造成一定的损害；破坏性损坏和表面剥落性损坏则会产生损坏区域扩大的现象，从而加深齿面破坏程度，使齿轮的传动失去平稳定。此外，一旦齿轮产生破坏性损坏和表面剥落性损坏会造成整个盾构机驱动刀盘减速机的传动系统出现瘫痪的现象。

3.2 齿轮损坏故障原因分析

齿轮损坏本身是发生在齿轮自身上，因此其故障产生的原因主要分为内在原因和外在原因两种类型。第一，内在原因。盾构机驱动刀盘减速机在自身组装过程中需要使用不同类型的齿轮进行组装，从而实现设备齿轮动力的组装。但是，针对本次研究中的盾构机驱动刀盘减速机内部齿轮进行拆解检测发现，一台盾构机驱动刀盘减速机内部齿轮的生产厂家中出现了4家，由于每一个齿轮生产厂家在进行齿轮加工的过程中使用的加工设备不同，齿轮与齿轮之间虽然型号相同，但是存在细微差别。因此，造成齿轮在实际工作过程中产生轴承磨损和齿轮磨损的现象。第二，外在原因。外在原因主要分为安装原因和操作原因两种。其中安装原因主要是指设备在工程项目进场施工安装的过程中，对盾构机驱动刀盘减速机固定螺栓的紧固和实效并没有及时地进行调整和处理。尤其是在启动和运行的过程中，对减速机的冲击力相对较大。操作原因主要是指盾构机驱动刀盘减速机在实际操作施工的过程中根据生产厂家的要求盾构机驱动刀盘减速机刀盘换向时间需要在40s以上，但是在实际操作过程中现场的刀盘换向时间为4.5s，从而导致齿轮和轴承由于操作不当导致出现破坏性损坏和表面剥落性损坏。

3.3 齿轮损坏故障改进措施

针对齿轮损坏故障对其进行分析，从而提出改进措施可以从自身设计上、生产制造商、现场调试上和运行维护上对其进行改进。首先，在设计盾构机驱动刀盘减速机的过程中根据其各个减速层级对其齿轮的需求和最大扭矩进行分析，通过具体的疲惫值计算齿轮的使用寿命和相关规定指标，在有效提升现有功率的基础上提升工作效率。其次，在生产制造过程中采用机械设备设计人员现场监督处理的方式，对其生产过程进行监督，提高设计与生产的统一性[5]。然后，在现场调试上根据施工现场的情况，由专业的机械设计人员对设备进行调试和处理。最后，利用温度、震动、噪音、油检、内窥镜等检测手段，对盾构机驱动刀盘减速机进行日常运行维护。

4 总结

盾构机驱动刀盘减速机故障是盾构机在实际工程应用中最常见的一个问题。因此，在提升自身设备水平的过程中必须深入地对刀盘减速机故障进行分析，通过本文的研究能够得出齿轮故障是盾构机驱动刀盘减速机故障的主要故障。因此，未来在实际操作设备设计和使用过程中应该对盾构机驱动刀盘减速机内部齿轮的设计和使用进行加强，从而有效提升机械设备的工作效果，增强实用价值。

参 考 文 献

[1] 吴朝来.盾构螺旋输送机驱动密封故障处理与防护技术[J].隧道建设，2012（01）：134-138.

[2] 杨明金.NFM盾构主驱动系统减速箱毁坏原因分析及改造[J].现代机械，2012（02）：66-68.

[3] 黄克，赵炯，周奇才，熊肖磊.基于多变量统计过程监控的盾构机故障诊断[J].中国工程机械学报，2012（02）：222-227.

[4] 任亚军，赵明.盾构机刀盘变频驱动控制系统研究[J].机械与电子，2015（04）：44-46.