常孔磊，赵新合，李大伟

(中铁隧道集团有限公司专用设备中心，河南 洛阳 471009)

盾构主驱动减速机失效原因分析

常孔磊，赵新合，李大伟

(中铁隧道集团有限公司专用设备中心，河南 洛阳 471009)

为解决盾构法施工中盾构主驱动减速机失效问题，以北京市海淀区500 kV电力隧道工程为依托，结合以往盾构主驱动减速机修复经验，从主电机同步性、故障减速机解体、保险轴断裂及掘进参数等方面进行研究。得到盾构主驱动减速机失效的原因有: 1)掘进参数不合理；2)二、三级减速机构滚动轴承失效。可为今后盾构法施工及减速机故障处理提供良好的决策依据。

盾构；主驱动减速机；失效；原因分析

0 引言

盾构法以其自动化程度高、劳动强度低、速度快、隐蔽性能好及对环境扰动小等优点，在城市地下空间开发领域中得到了广泛的应用。行星齿轮减速机作为驱动盾构刀盘旋转的关键部件，其输入端与变频电机相连,输出端与主轴承内齿圈相啮合,不仅要传递动力,还要承受冲击载荷。盾构在掘进过程中，刀盘因推进产生的轴向力可以由承压隔板进行平衡，因旋转所受摩擦扭矩产生的径向力将会通过主轴承传递到减速机上，减速机将接受各种工况下扭矩的冲击，特别在地质突变和紧急制动的情况下，冲击特别明显，这就有可能造成减速机失效，从而导致停机。

国外盾构法施工比较成熟，主驱动减速机故障处理多以预防为主，施工过程中注重运转监测。伴随着地下空间开发利用步伐的不断加快，国内盾构保有量激增，而设备操作保养人员相对不足、运转监测工作滞后，近期多次出现盾构尚没有达到大修期，而主驱动减速机却异常损坏的情况，故在盾构施工中对主驱动减速机的维护保养及故障处理应引起高度的重视。熊晨君等[1]、杨明金[2]分别以海瑞克和NFM盾构为例对主驱动减速机的故障及处理进行了研究；雷亚国等[3]对行星齿轮减速机故障诊断进行了研究；田华军等[4]、罗春虎[5]对主驱动减速机保险轴的断裂进行了研究；刘珍来[6]、陈亮等[7]对主驱动减速机的动力学特性进行了研究。但这些研究很少有针对主驱动减速机异常损坏原因进行深入分析的。本文结合北京市海淀区500 kV电力隧道3标段盾构减速机损坏案例，针对减速机损坏造成停机这一现象，重点对减速机的损坏原因进行分析。

1 工程与设备概况

1.1 工程概况

北京市海淀区500 kV电缆隧道第3标段，始于三府路东侧，沿永定河引水渠北岸向东至石河村路与八大处路中间。施工里程为0+000～1+1 980.125 m，全长1 980.125 m。隧道主要穿越地层为细砂层、卵石层、碎石混黏土层，绝大部分为卵石层，标段西部地层为碎石混黏土层，卵石层直径一般为60～80 mm，最大直径为100 mm，碎石混黏土层含强风化碎石，碎石呈棱角状，直径一般为20～40 mm，最大直径为100 mm。施工时，受卵石层的影响，不均匀载荷通过主驱动大齿圈传递给减速机，对减速机冲击较大。

1.2 设备概况

中铁3号盾构系国内自主设计制造的土压平衡盾构，开挖直径为6 280 mm，最大推进速度为 80 mm/min。主驱动采用6个变频电机沿圆周方向布置，主驱动减速机采用意大利原装进口戴纳米克三级行星齿轮减速机，双向变频驱动，连续输出功率为102 kW，连续输出扭矩为92.5 kN·m，减速比为1∶124.74。驱动小齿轮与减速机之间通过保险轴连接，在受到异常载荷冲击时可以保护主电机和减速机。

2 故障现象

2013年4月5日盾构正常掘进至528环时，突然出现刀盘扭矩大幅度的波动，6号主电机接近满负荷工作，随后出现6号主电机跳停。这种情况下判断减速机可能已经损坏，停机对6号减速机解体检查。解体时发现减速机整体损坏严重，特别是第三级减速机构的太阳齿、行星齿、内齿圈和行星齿轮轴。损坏部件如图1所示。

3 减速机损坏原因分析

根据主驱动减速机构的工作原理并结合故障的实际情况进行分析，导致主驱动减速机损坏的原因应从以下方面进行分析。

3.1 主电机同步性分析

分析电力隧道项目，有可能由于在调试过程中，变频器对电机的控制不同步，造成电机之间存在内部受力不均匀，以致电机的转矩上下波动。虽然没有达到减速机损坏的程度，但是因为高频的转矩波动，造成了减速机的疲劳损坏。中铁3号盾构在始发前进行了全面调试，因电机不同步造成减速机损坏的可能性比较小。为了验证这一分析，对变频器参数进行了复核，复核结果没有异常，排除了因电机不同步造成减速机损坏的可能性。

3.2 减速机解体分析

轴承的失效按其损伤机制可以分为接触疲劳失效、磨损失效、断裂失效、塑性变形失效、腐蚀失效和游隙变化失效等几种基本形式。根据解体情况发现轴承的失效形式为断裂失效，由于刀盘扭矩增加，减速机负荷变大，减速机内部的轴承特别是传递扭矩较大的二、三级减速机构内部的滚动轴承载荷超过轴承零件材料强度极限,造成轴承零件断裂。

(a) 太阳齿

(b) 行星齿

(c) 内齿圈

(d) 行星齿轮轴

齿轮在使用过程中的主要损坏形式有磨损失效、表面疲劳失效、塑性变形失效及断齿失效。根据拆解情况发现本减速机内部齿轮的损坏形式主要为断齿失效。断齿失效是因短时过载或冲击载荷而产生的折断，齿面较小的太阳轮发生全齿折断，轮毂较薄的行星轮发生开裂。

结合卓轮及三井三池减速机的维修经验，减速机损坏可能是由于二、三级减速机构行星轮中的滚动轴承受到冲击，支撑架变形、断裂，滚动体进入齿轮啮合区，造成齿轮的断齿，减速机卡死，是此次减速机损坏的主要原因。

3.3 保险轴断裂分析

保险轴的设计要求是: 一方面，当载荷达到设计要求时及时断裂，起保护作用；另一方面，在设计寿命周期内不能发生疲劳损坏。而在本项目中减速机损坏时保险轴断裂却没有起到过载保护作用，有必要对保险轴的设计强度进行校核。

查阅盾构的设计资料可知,保险轴的材料为42CrMo4，其弹性模量为2.06×1011Pa,泊松比为0.3。保险轴的材料的性能及其几何参数如表1和表2所示。保险轴结构图如图2所示。

表1 42CrMo4材料性能参数Table 1 Parameters of Material-42CrMo4

表2 保险轴几何参数Table 2 Geometric parameters of safety axis

图2 保险轴结构图(单位: mm)

由图2可知，其最大剪应力发生在扭剪槽的位置，根据计算公式，剪应力

τ=Mmax/W。

(1)

保险轴理论设计扭矩

Mmax=τ×W=τ×πd3/16=563×106×3.14×0.143/16=303.18 kN·m。

(2)

根据材料力学知识，应考虑形状因素、尺寸效应及表面加工质量对保险轴强度的影响，结合保险轴的相关参数，此处取应力集中系数k=1.55，尺寸系数ε=0.71，表面加工影响系数β=1.617。

则保险轴实际设计扭矩

ML=ε×β/k×Mmax=0.71×1.617/1.55×303.181=224 kN·m。

(3)

为保证盾构脱困时保险轴不断裂，保险轴实际可承载扭矩为盾构脱困时承载扭矩的1.2倍。查资料得盾构的脱困扭矩为6 840 kN·m，则单个保险轴应传递的扭矩

Ms=MT/n×i×k=6 840/6×15/105×1.2=195.4 kN·m。

(4)

式中:n=6为保险轴个数；i=15/105为小齿轮与主轴承齿圈减速比;k为保险轴的安全系数。

根据计算结果，可知保险轴实际承载扭矩与设计扭矩相当，根据保险轴的脆性断裂现象，可推断是由于减速机先损坏卡死，造成保险轴在主轴承的带动作用下发生脆性断裂所致。

3.4 掘进参数分析

减速机损坏前一日(4月5日)和减速机损坏当日(4月6日)的掘进参数对比分析如图3和图4所示。由图3和图4可知，4月5日14时19分6号减速机扭矩开始大幅度波动，同一时段刀盘扭矩也在0～6 000 kN·m波动，直至4月6日10时20分减速箱彻底损坏。4月5日—6日6号减速机最大扭矩为103.4 kN·m，超过额定扭矩92.5 kN·m的11.78%，超过额定扭矩时间共约5.5 min。因此，有必要对当前地层刀盘扭矩进行核算[8]。

图3 2013年4月5日与6日6号变频器输出扭矩对比图

图4 2013年4月5日与6日刀盘输出扭矩对比图

施工过程中，盾构刀盘对土体进行切削，刀盘扭矩主要克服刀盘与土体之间的摩擦阻力扭矩、切削土体时的地层抗力扭矩、搅拌土体的搅拌扭矩及刀具受到的摩擦阻力扭矩等，它们之间的关系式为

T=πd3/12×fpp(1-ξ)+πd3/4×fγ′HB(1+k0)+[p0tan2(π/4+φ/2)+2ctan (π/4+φ/2)]D2/8×v/ω+

(5)

式中:d为刀盘直径;f为钢板与土体的摩擦系数；pp为被动失稳极限支护力；ξ为刀盘开口率；γ′为土体有效重度；H为盾构轴线埋深；B为刀盘的宽度；k0为静止土压力系数；p0为土层的初始侧向土压力；φ为刀盘前方土体内摩擦角;c为刀盘前方土体黏聚力;v为盾构掘进速度;ω为刀盘转速；H0为搅拌叶片覆土深度;Db为搅拌叶片直径;Lb为搅拌叶片长度;Rb为搅拌叶片到刀盘中心距离。

将盾构目前所处地层的土层参数[9-12](如表3所示)及盾构相关参数(如表4所示)代入式(1)中，可计算出在当前地层中掘进刀盘所需要的理论扭矩

T=1 724+1 259+207+3.12=3 193.1 kN·m。

表3 盾构当前所处地层参数表Table 3 Parameters of ground where shield is boring

表4 盾构相关参数表Table 4 Parameters of shield

将此理论值与减速机损坏前的实际值对比，进一步验证了前面的分析，减速机长时间受到异常载荷的冲击，造成其内部二、三级机构比较薄弱的行星轮轴承的损坏；由于运转监测不够，引起整个减速机的严重损坏。

4 解决措施

4.1 加强油水检测

对减速箱齿轮油周期性检测，可以在减速箱发生点蚀过程中及时发现有少量金属掉落，并及时对该减速箱进行齿轮油的更换。在减速箱的进一步损坏之前提前拆除更换，可以避免更严重事故的发生。

4.2 加强振动监测

减速箱行星齿轮点蚀严重或齿轮箱内杂质超标时，齿轮啮合时振动较大，可通过振动检测仪进行判断。同时，在齿轮表面剥落、断裂时，减速箱因为不能正常工作，也会产生异响。此时，对减速箱进行故障处理可以避免事故的蔓延。

4.3 合理调整掘进参数

加强对盾构掘进前方地质情况的勘探，针对不同地层选用不同的掘进参数。为避免因地层突变对减速机造成冲击，结合盾构刀盘额定扭矩，在程序中对电气保护进行设置，刀盘扭矩达到额定扭矩5 520 kN·m的90%时(即4 968 kN·m)推进调停，达到额定扭矩时刀盘调停。

5 结论与讨论

1)作为盾构的关键主传动部件，行星齿轮减速机具有功率密度高、扭矩大、体积小及可靠性要求高等复杂技术要求，且由于减速机系统特殊的变载荷使用工况及地下施工等使用环境，一旦在施工中发生故障，将会造成不可估量的损失。

2)通过分析得到减速机失效的原因为: 掘进参数不合理；二、三级减速机构滚动轴承失效。因此，施工过程中应加强对主驱动减速机的状态监控，特别在通过大粒径的漂石或孤石地段，应先对开挖面前方20 m进行超声波障碍物探测，及时查出大块漂石等障碍物，对障碍物进行破除。合理地调整掘进参数，防止因刀盘扭矩异常引起减速机的损坏。

随着国内保有盾构掘进里程的不断增加，对减速机备件的需求将会激增，而进口行星齿轮减速机价格昂贵，供货周期长，难以满足施工实际需求。如何设计制造小外形尺寸、大传递扭矩、满足10 000 h寿命的行星齿轮减速机，是减速机国产化努力的一个方向。

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AnalysisonCausesforFailureofMainDriveReducerofShieldMachine

CHANG Konglei,ZHAO Xinhe,LI Dawei

(Tunneling-dedicatedEquipmentCenter,ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

In this paper,the causes for the failure of the main drive reducer of shield machines are studied in terms of synchronism of electric motor,disassembly of damaged reducer,break of safety axis and boring parameters of shield machine,with the shield machine for the 500 kV power tunnel in Haidian District in Beijing as an example.The main causes for the failure of the main drive reducer of the shield machine are as follows: 1) Irrational boring parameters;2) Failure of rolling bearing of the 2nd grade and the tertiary reducers.The paper can provide reference for shield boring and reducer failure treatment in the future.

shield;main drive reducer;failure;cause analysis

2013-10-24；

2013-12-19

常孔磊(1985—)，男，河南南阳人，2009年毕业于郑州轻工业学院，机械专业，本科，助理工程师，主要从事盾构和TBM及大型专用设备的技术管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.02.015

U 45

A

1672-741X(2014)02-0173-05