圖14 泥水平衡盾構機外齒式主軸承

Fig.14 Outer tooth main bearing for mud-water balanced shield machine

盾構機主軸承的功能主要是支承及傳遞運動與載荷，然而由于盾構機轉速極低，載荷極大且不可準確預測，可靠性要求極高，使盾構機主軸承承擔著極大的風險，也對其設計制造提出了苛刻的要求。由于地質結構的不均勻性，盾構機掘進阻力的大小、方向可能劇烈變化，盾構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、結構、剛度、強度、壽命和可靠性等技術指標要求嚴苛。另外，還要求盾構機主軸承安裝部位有可靠的密封，軸承內部有良好的潤滑，相關密封結構和潤滑劑均需特殊設計以滿足苛刻的環(huán)境工況。

5.2 技術指標和關鍵技術

盾構機主軸承的主要技術指標為：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，使用轉速1～3 r/min。

5.2.1 設計技術

1）建立覆蓋典型地質條件的工況數(shù)據庫，制定滿足靜強度分析、動力學分析、可靠度預測、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）完成盾構機主軸承失效數(shù)據搜集和分析，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的設計理論。

4）進行盾構機主軸承可靠性理論研究，建立不同地質和掘進工況條件下主軸承的可靠性理論與剩余壽命預估技術。

5）開展盾構機主軸承強度、剛度及壽命設計理論研究，主參數(shù)、滾子和滾道的理想凸度、軸承游隙、密封結構、保持架等零件結構參數(shù)的優(yōu)化設計，以及性能仿真與壽命預測軟件的開發(fā)。

5.2.2 控形控性制造技術

1）制定盾構機主軸承專用的鋼材質量控制標準，建立鋼材質量控制系統(tǒng)，實現(xiàn)“四化”要求，即成份設計智能化、內在質量高純化、生產過程自動化和冶金質量一致化。

2）開展精密熱處理技術研究，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)控熱處理設備和工裝，提高淬火質量的一致性和穩(wěn)定性；開發(fā)具有自主知識產權的材料性能模擬軟件，動態(tài)在線控制及檢測技術和表面改性技術。

3）全面掌握盾構機主軸承零件精密加工技術，開發(fā)滾道硬車工藝、CBN等超硬刀具制造技術。

4）全面掌握盾構機主軸承潤滑與密封系統(tǒng)的設計制造技術。

5）全面掌握盾構機主軸承再制造技術，制定主軸承再制造質量標準。

5.2.3 質量控制與健康狀態(tài)監(jiān)控技術

1）制定盾構機主軸承產品標準，嚴格規(guī)定基本參數(shù)、材料、熱處理、內在和表面質量等技術要求、試驗方法和檢驗規(guī)則。

2）開發(fā)盾構機主軸承無損檢測技術，制定無損檢測技術規(guī)范。

3）研制內嵌式超微型傳感器，開發(fā)數(shù)字化、網絡化和智能化的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷軟件。

4）研制盾構機主軸承試驗臺，考核啟動摩擦力矩、最大摩擦力矩、耐久性等性能，形成盾構機主軸承試驗規(guī)范。