文章出處：知識中心 網(wǎng)責任編輯： 洛陽軸承 閱讀量： 發(fā)表時間：2022-01-19 14:29:10
5 盾構(gòu)機主軸承
5.1 軸承類型
盾構(gòu)機是集機械、電氣、液壓、光學、力學、氣動、傳感、信息、導(dǎo)向為一體，能夠完成掘進、支護、出渣等施工工序并進行連續(xù)作業(yè)的工廠化流水線式作業(yè)的隧道施工裝備，被譽為“工程機械之王”，是衡量一個國家裝備制造業(yè)水平的重大關(guān)鍵裝備。隨著我國城市地鐵、鐵路隧道、公路隧道、水利工程、城市市政燃氣管道工程、排污管道工程、供熱供冷管道工程、電纜管道工程盾構(gòu)法施工的全面鋪開，盾構(gòu)機市場總需求呈快速增長趨勢，也給盾構(gòu)機軸承帶來廣闊的市場。
刀盤是盾構(gòu)機的關(guān)鍵部件，在隧道掘進過程中發(fā)揮著重要作用。刀盤系統(tǒng)中的主軸承是傳遞掘進動力和運動的核心零件，在工作中承受著巨大的軸向力、傾覆力矩和一定的徑向力，其性能、壽命和可靠性直接影響盾構(gòu)機的施工進度、安全和掘進里程。小尺寸盾構(gòu)機主軸承通常采用四點接觸球和交叉圓柱滾子結(jié)構(gòu)，個別有雙列圓錐滾子結(jié)構(gòu)。量大面廣的盾構(gòu)機主軸承主要有三排三列圓柱滾子組合軸承和三排四列圓柱滾子組合軸承，其中最常用的三排三列圓柱滾子組合軸承可分為內(nèi)齒式(圖13)和外齒式(圖14)。
圖13 土壓平衡盾構(gòu)機內(nèi)齒式主軸承
Fig.13 Inner tooth main bearing for earth pressure balance shield machine
圖14 泥水平衡盾構(gòu)機外齒式主軸承
Fig.14 Outer tooth main bearing for mud-water balanced shield machine
盾構(gòu)機主軸承的功能主要是支承及傳遞運動與載荷，然而由于盾構(gòu)機轉(zhuǎn)速極低，載荷極大且不可準確預(yù)測，可靠性要求極高，使盾構(gòu)機主軸承承擔著極大的風險，也對其設(shè)計制造提出了苛刻的要求。由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的不均勻性，盾構(gòu)機掘進阻力的大小、方向可能劇烈變化，盾構(gòu)機主軸承常常工作在沖擊、偏載等極端工況下，對軸承的材料和熱處理、結(jié)構(gòu)、剛度、強度、壽命和可靠性等技術(shù)指標要求嚴苛。另外，還要求盾構(gòu)機主軸承安裝部位有可靠的密封，軸承內(nèi)部有良好的潤滑，相關(guān)密封結(jié)構(gòu)和潤滑劑均需特殊設(shè)計以滿足苛刻的環(huán)境工況。
5.2 技術(shù)指標和關(guān)鍵技術(shù)
盾構(gòu)機主軸承的主要技術(shù)指標為：無故障使用
10 000h（或累計掘進10 km以上），軸向跳動不大于0.1 mm，使用轉(zhuǎn)速1～3 r/min。
5.2.1 設(shè)計技術(shù)
1）建立覆蓋典型地質(zhì)條件的工況數(shù)據(jù)庫，制定滿足靜強度分析、動力學分析、可靠度預(yù)測、性能和壽命試驗所必需的定常和非定常動態(tài)載荷譜、特殊工況下的極限載荷譜等。
2）完成盾構(gòu)機主軸承失效數(shù)據(jù)搜集和分析，編制典型工況條件下的失效圖譜。
3）開展低速、重載、沖擊條件下盾構(gòu)機主軸承的潤滑理論及摩擦學研究，定常和非定常動態(tài)工況下主軸承的接觸力學和動力學特征研究并形成相應(yīng)的設(shè)計理論。
4）進行盾構(gòu)機主軸承可靠性理論研究，建立不同地質(zhì)和掘進工況條件下主軸承的可靠性理論與剩余壽命預(yù)估技術(shù)。
5）開展盾構(gòu)機主軸承強度、剛度及壽命設(shè)計理論研究，主參數(shù)、滾子和滾道的理想凸度、軸承游隙、密封結(jié)構(gòu)、保持架等零件結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，以及性能仿真與壽命預(yù)測軟件的開發(fā)。
5.2.2 控形控性制造技術(shù)
1）制定盾構(gòu)機主軸承專用的鋼材質(zhì)量控制標準，建立鋼材質(zhì)量控制系統(tǒng)，實現(xiàn)“四化”要求，即成份設(shè)計智能化、內(nèi)在質(zhì)量高純化、生產(chǎn)過程自動化和冶金質(zhì)量一致化。
2）開展精密熱處理技術(shù)研究，開發(fā)3個滾道同時淬火的無軟帶熱處理工藝和齒輪淬火工藝，研制專用數(shù)控熱處理設(shè)備和工裝，提高淬火質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性；開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的材料性能模擬軟件，動態(tài)在線控制及檢測技術(shù)和表面改性技術(shù)。
3）全面掌握盾構(gòu)機主軸承零件精密加工技術(shù)，開發(fā)滾道硬車工藝、CBN等超硬刀具制造技術(shù)。
4）全面掌握盾構(gòu)機主軸承潤滑與密封系統(tǒng)的設(shè)計制造技術(shù)。
5）全面掌握盾構(gòu)機主軸承再制造技術(shù)，制定主軸承再制造質(zhì)量標準。
5.2.3 質(zhì)量控制與健康狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)
1）制定盾構(gòu)機主軸承產(chǎn)品標準，嚴格規(guī)定基本參數(shù)、材料、熱處理、內(nèi)在和表面質(zhì)量等技術(shù)要求、試驗方法和檢驗規(guī)則。
2）開發(fā)盾構(gòu)機主軸承無損檢測技術(shù)，制定無損檢測技術(shù)規(guī)范。
3）研制內(nèi)嵌式超微型傳感器，開發(fā)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷軟件。
4）研制盾構(gòu)機主軸承試驗臺，考核啟動摩擦力矩、最大摩擦力矩、耐久性等性能，形成盾構(gòu)機主軸承試驗規(guī)范。
5.3 市場需求
全球已累計生產(chǎn)盾構(gòu)機超過10 000臺，保有量達5 000多臺，年需求量300~500臺。目前，我國已成為世界上生產(chǎn)和使用盾構(gòu)機最多的國家，每年需求量約400臺(其中國產(chǎn)約300臺)。另外，國內(nèi)在役的盾構(gòu)機約1 800余臺，這些盾構(gòu)機主軸承超過設(shè)計壽命后均需要維修和更換。按上述數(shù)據(jù)粗略估計，盾構(gòu)機主軸承的年需求量達400套、約12億元。
5.4 自主化
經(jīng)過艱苦努力，我國已實現(xiàn)盾構(gòu)機國產(chǎn)化并向國外出口，但盾構(gòu)機主軸承仍全部依賴進口，主要采用ROTHE ERDE，SKF，ROBALLO，KOYO，IMO等幾家公司的產(chǎn)品。國家科技部從2007年開始布局盾構(gòu)機主軸承的國產(chǎn)化研發(fā)，經(jīng)過十多年的努力，盾構(gòu)機主軸承的研發(fā)已具備一定基礎(chǔ)。洛陽LYC軸承有限公司與中鐵隧道集團聯(lián)合攻關(guān)研制的國內(nèi)首套φ6.28 m盾構(gòu)機主軸承已于2016年9月下線并應(yīng)用于合肥地鐵3號線的盾構(gòu)施工，至2018年3月，經(jīng)過一年多的施工應(yīng)用，累計掘進里程2369.65 m，順利完成標段工程。2019年1月14日，洛陽LYC軸承有限公司與中鐵隧道集團合作研制的φ11 m盾構(gòu)機主軸承下線并成功應(yīng)用于舟山海底隧道的施工。2021年年初，中交天和機械設(shè)備有限公司自主研發(fā)制造的我國最大直徑(16.07 m)泥水平衡盾構(gòu)機“運河號”下線，其裝配了洛陽軸承研究所有限公司開發(fā)的特大型管片拼裝機轉(zhuǎn)盤軸承。
盾構(gòu)機主軸承是可靠性、安全性要求極高的產(chǎn)品，其自主化任重而道遠，需要花真功夫，下大力氣，產(chǎn)學研用緊密合作，積極慎重地推進盾構(gòu)機主軸承的研發(fā)→工程化→產(chǎn)業(yè)化，最終實現(xiàn)自主安全可控的目標。
（參考文獻略）
來源：《軸承》2022年1期（節(jié)選）
軸研所公眾號 軸承雜志社公眾號
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