Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Опорно-поворотные устройства режущих головок микротоннельных машин представляют собой специализированные высоконагруженные подшипниковые узлы, обеспечивающие вращение режущего инструмента при проходке тоннелей диаметром от 600 до 2500 миллиметров. В отличие от обычных ОПУ, применяемых в строительной технике, подшипники режущих головок микротоннельных комплексов работают в экстремальных условиях непрерывного контакта с грунтом, абразивными частицами и подземными водами.
Микротоннельные машины, такие как комплексы серии AVN производства Herrenknecht, осуществляют бестраншейную прокладку коммуникаций на глубинах до 30 метров с использованием дистанционного управления. Режущая головка, закрепленная на опорно-поворотном устройстве, выполняет разрушение породы, а образующаяся пульпа удаляется гидротранспортом через технологические трубы. При этом ОПУ должно обеспечивать стабильное вращение под действием значительных осевых и радиальных нагрузок при скоростях вращения от 1 до 15 оборотов в минуту.
Опорно-поворотное устройство режущей головки микротоннельной машины состоит из двух основных колец – внутреннего и внешнего, между которыми размещены тела качения. Конструкция ОПУ для тоннелепроходческого оборудования имеет ряд специфических отличий от стандартных поворотных подшипников.
Внутреннее кольцо ОПУ жестко соединяется с корпусом щита микротоннельной машины и остается неподвижным относительно продвигающейся обделки. Внешнее кольцо крепится к режущей головке и совершает вращательное движение под действием гидравлических или электрических приводов. Между кольцами располагаются дорожки качения, по которым перемещаются тела качения – шарики или ролики.
Для передачи крутящего момента на одном из колец выполняется зубчатый венец, входящий в зацепление с приводной шестерней. В зависимости от конструкции машины зубчатое зацепление может быть внутренним или наружным. Монтажные отверстия в кольцах позволяют надежно зафиксировать ОПУ болтовыми соединениями высокой прочности.
Выбор типа ОПУ для микротоннельной машины определяется диаметром проходки, ожидаемыми геологическими условиями и требуемой производительностью комплекса. В тоннелепроходческой технике применяются три основных типа опорно-поворотных устройств.
Шариковые опорно-поворотные устройства с одним рядом тел качения применяются в микротоннельных машинах малого диаметра (600-1000 миллиметров) при работе в относительно слабых грунтах. Шарики располагаются между дорожками качения внутреннего и внешнего колец под определенным углом контакта, что позволяет воспринимать комбинированные осевые и радиальные нагрузки.
Преимуществами шариковых ОПУ являются относительно низкий момент трения, высокая точность вращения и компактность конструкции. Однако грузоподъемность однорядных шариковых подшипников ограничена, что сужает область их применения для микротоннелирования в сложных геологических условиях.
Трехрядные роликовые опорно-поворотные устройства представляют собой наиболее нагруженный тип подшипников, используемый в микротоннельных машинах среднего и большого диаметра. Конструкция включает три раздельные дорожки качения: два ряда цилиндрических роликов воспринимают радиальные нагрузки, а третий ряд, ориентированный под углом, работает на осевые и опрокидывающие моменты.
Такая конфигурация обеспечивает высокую жесткость опорного узла и способность выдерживать экстремальные нагрузки при проходке в скальных и полускальных породах. Трехрядные роликовые ОПУ применяются в машинах Herrenknecht серий AVN 1200, AVN 1500 и более крупных комплексах для тоннелей диаметром свыше 1500 миллиметров.
Опорно-поворотные устройства с перекрестным расположением цилиндрических роликов обеспечивают высокую точность вращения и минимальный люфт в опорном узле. Ролики укладываются в одну дорожку качения под углом 90 градусов друг к другу, что позволяет воспринимать нагрузки во всех направлениях при компактных габаритах подшипника.
Перекрестные роликовые ОПУ находят применение в прецизионных микротоннельных комплексах, где требуется точное направление проходки с минимальными отклонениями от проектной оси. Такие подшипники используются при строительстве коммуникаций под зданиями и сооружениями, где недопустимы значительные отклонения траектории.
Опорно-поворотное устройство режущей головки микротоннельной машины подвергается сложному комплексу нагрузок, существенно отличающихся от условий работы ОПУ в обычной строительной технике. Правильный расчет и учет всех действующих сил критически важен для обеспечения надежности и долговечности подшипникового узла.
Основную осевую нагрузку на ОПУ создает усилие продавливания щита микротоннельной машины, которое передается через домкратную станцию. Для комплексов диаметром 800-1200 миллиметров типичные значения проталкивающего усилия составляют от 400 до 600 тонн в зависимости от геологических условий и длины проходки. Например, микротоннельный комплекс Herrenknecht AVN 1200 оснащается домкратной станцией с усилием продавливания 500 тонн. В скальных породах при использовании дисковых резцов осевые нагрузки могут достигать 800-1000 тонн для машин большего диаметра.
Дополнительное осевое усилие возникает от сопротивления грунта вращению режущей головки и от гидростатического давления грунтовых вод на переднюю поверхность щита. Предварительный натяг дорожек качения в ОПУ должен обеспечивать восприятие максимальных осевых нагрузок без потери контакта тел качения с рабочими поверхностями.
Радиальные нагрузки на опорно-поворотное устройство возникают от неравномерного распределения сопротивления грунта по площади забоя, особенно при проходке в неоднородных геологических условиях. Асимметричное расположение режущего инструмента и выработок в лицевой части головки также создает дополнительные радиальные силы.
Опрокидывающий момент формируется при отклонении вектора результирующей силы сопротивления грунта от оси вращения головки. Наибольшие опрокидывающие моменты возникают при пересечении границ слоев с различной прочностью или при встрече с локальными включениями повышенной твердости. ОПУ должно воспринимать эти нагрузки без существенных деформаций и с минимальным износом дорожек качения.
Исходные данные:
Диаметр щита микротоннельной машины: D = 1200 мм = 1,2 м
Усилие продавливания домкратной станции: F = 500 тонн = 5000 кН
Давление грунтовых вод на глубине 20 м: P = 200 кПа
Расчет:
Площадь лобовой поверхности щита: S = π × D² / 4 = 3,14 × 1,2² / 4 = 1,13 м²
Усилие от гидростатического давления: Fгидр = P × S = 200 × 1,13 = 226 кН
Общая осевая нагрузка на ОПУ: Fобщ = F + Fгидр = 5000 + 226 = 5226 кН ≈ 523 тонны
Герметичность опорно-поворотного устройства режущей головки микротоннельной машины представляет собой критический фактор, определяющий надежность и долговечность всего комплекса. В отличие от ОПУ экскаваторов и кранов, работающих в воздушной среде, подшипники микротоннелей постоянно контактируют с водонасыщенным грунтом, абразивными частицами и агрессивными подземными водами.
Режущая головка микротоннельной машины работает в условиях прямого контакта с разрабатываемым грунтом при наличии гидравлического пригруза забоя. Давление пульпы в призабойной камере поддерживается на уровне, незначительно превышающем давление грунтовых вод, что предотвращает обрушение забоя. При этом перед лобовой поверхностью щита создается зона повышенного давления, которая стремится проникнуть через зазоры в опорно-поворотном устройстве.
Абразивные частицы грунта, песок, гравий и глинистые включения в сочетании с водой образуют высокоагрессивную среду, способную быстро разрушить незащищенные поверхности подшипника. Проникновение даже незначительного количества загрязнений в рабочую зону ОПУ приводит к ускоренному износу дорожек качения, повышению момента трения и возможному заклиниванию механизма.
Для обеспечения надежной защиты опорно-поворотного устройства от проникновения грунта и воды применяются многоступенчатые системы уплотнения. Первичное уплотнение, расположенное со стороны забоя, воспринимает основное давление пульпы и грубые загрязнения. Оно выполняется в виде лабиринтного уплотнения с промывочными камерами или манжетного уплотнения с механическим поджимом.
Вторичное уплотнение защищает непосредственно рабочую зону подшипника от частиц, преодолевших первый барьер. Между ступенями уплотнения часто размещаются дренажные камеры для отвода просочившейся жидкости. Некоторые конструкции ОПУ предусматривают подачу смазки под давлением в зону уплотнений, что создает противодавление и предотвращает проникновение загрязнений.
Конструкция системы уплотнения опорно-поворотного устройства микротоннельной машины определяет эффективность защиты подшипникового узла и напрямую влияет на ресурс оборудования. Производители тоннелепроходческой техники разрабатывают специализированные решения для герметизации ОПУ режущих головок.
Контактные манжетные уплотнения изготавливаются из маслостойкой резины или полиуретана и обеспечивают высокую степень герметичности за счет плотного прилегания рабочей кромки к вращающейся поверхности. В условиях микротоннелирования применяются армированные манжеты с металлическим каркасом, способные работать при повышенном давлении и абразивном воздействии.
Лабиринтные уплотнения создают сложный путь для проникновения загрязнений через систему кольцевых канавок и выступов. Неконтактная конструкция лабиринтных уплотнений исключает износ и обеспечивает длительный срок службы, однако их герметизирующая способность ниже, чем у манжетных уплотнений. Поэтому в ОПУ микротоннельных машин лабиринтные и манжетные уплотнения часто применяются совместно.
Торцевые механические уплотнения используются в наиболее нагруженных узлах. Они состоят из пары притертых колец, одно из которых вращается вместе с головкой, а второе остается неподвижным. Высокая точность изготовления контактных поверхностей и применение твердых материалов обеспечивают надежную герметизацию при минимальном износе.
Поверхности уплотнительных узлов, контактирующие с грунтом, подвергаются интенсивному абразивному воздействию. Для повышения износостойкости применяются упрочняющие покрытия из керамики, карбидов вольфрама или твердых сплавов. Наплавка износостойких материалов на рабочие поверхности колец ОПУ позволяет значительно продлить срок службы уплотнений.
В зонах максимального воздействия абразивных частиц устанавливаются сменные защитные кольца, которые можно заменять при плановом обслуживании без демонтажа всего опорно-поворотного устройства. Такая конструкция существенно снижает затраты на поддержание работоспособности микротоннельного комплекса.
Надежность и долговечность опорно-поворотных устройств микротоннельных машин во многом определяются правильным выбором материалов для изготовления основных элементов конструкции и применением соответствующих режимов термической обработки.
Для изготовления внутреннего и внешнего колец ОПУ применяются конструкционные легированные стали с содержанием углерода 0,40-0,50 процента. Наиболее распространенными марками являются стали 50Mn, 42CrMo и 5CrMnMo, обеспечивающие высокую прочность основы при достаточной вязкости сердцевины детали. Выбор конкретной марки стали зависит от диаметра ОПУ и ожидаемых условий нагружения.
Дорожки качения подвергаются поверхностной закалке токами высокой частоты или цементации с последующей закалкой для достижения твердости рабочей поверхности в диапазоне 55-62 HRC. Глубина упрочненного слоя составляет от 3 до 8 миллиметров в зависимости от размера подшипника. Такая обработка обеспечивает высокую контактную прочность дорожек качения и их износостойкость.
Шарики и ролики для ОПУ микротоннельных машин изготавливаются из высокоуглеродистой хромистой подшипниковой стали марок ШХ15 или аналогичных зарубежных сталей типа GCr15. Термообработка включает закалку и низкий отпуск, обеспечивающие твердость тел качения 60-66 HRC при сохранении достаточной вязкости сердцевины.
Сепараторы, разделяющие тела качения и обеспечивающие их правильное расположение, выполняются из бронзы, латуни или конструкционных сталей. Для работы в условиях абразивного загрязнения применяются сепараторы из износостойких полимерных композиционных материалов, обладающих низким коэффициентом трения и устойчивостью к химически агрессивным средам.
После закалки все компоненты ОПУ подвергаются стабилизирующему отпуску при температуре 150-180 градусов Цельсия в течение 3-6 часов. Эта операция снижает внутренние напряжения в материале, уменьшает риск образования трещин и повышает стабильность размеров деталей в процессе эксплуатации. Стабилизирующий отпуск особенно важен для крупногабаритных колец ОПУ, где остаточные напряжения могут вызвать деформации.
Система смазки опорно-поворотного устройства режущей головки микротоннельной машины должна обеспечивать надежную работу подшипника в условиях высоких нагрузок, низких скоростей вращения и воздействия загрязнений. Особенности эксплуатации микротоннельных комплексов предъявляют повышенные требования к смазочным материалам и периодичности их подачи.
Для смазки ОПУ микротоннельных машин применяются пластичные смазки на литиевой или полимочевинной основе с противозадирными и противоизносными присадками. Смазка должна обладать высокой водостойкостью, устойчивостью к вымыванию под действием пульпы и способностью работать при давлениях до 10 бар в зоне уплотнений.
Вязкость базового масла смазки выбирается с учетом температурных условий эксплуатации. При работе в грунтах с нормальной температурой применяются смазки с вязкостью базового масла 150-220 сСт при 40 градусах Цельсия. Класс консистенции смазки обычно соответствует NLGI 2 или NLGI 3, что обеспечивает достаточную подвижность для распределения по дорожкам качения при сохранении несущей способности смазочной пленки.
Опорно-поворотное устройство оснащается масленками или фитингами для централизованной подачи смазки под давлением. В зависимости от конструкции ОПУ точки смазки располагаются по окружности подшипника с шагом от 200 до 500 миллиметров. Количество точек смазки определяется диаметром устройства и условиями эксплуатации.
В процессе микротоннелирования смазка подается периодически по мере продвижения щита. Типичная периодичность составляет подачу смазки после прокладки каждых 3-6 метров обделки. Объем разовой подачи рассчитывается исходя из габаритов подшипника и обычно составляет от 0,5 до 2 килограммов на метр диаметра ОПУ. Избыточная смазка вытесняет загрязнения из зоны дорожек качения и выдавливается через уплотнения.
Для микротоннельной машины AVN 1200 с диаметром ОПУ 1,2 метра при периодичности смазки каждые 3 метра проходки:
Удельный расход смазки: 1,5 кг на 1 метр диаметра ОПУ
Объем разовой подачи: 1,2 м × 1,5 кг/м = 1,8 кг смазки
При длине проходки 150 метров количество подач: 150 м / 3 м = 50 подач
Общий расход смазки на проходку: 50 × 1,8 кг = 90 килограммов
В современных микротоннельных комплексах ведущих производителей предусматривается мониторинг состояния опорно-поворотного устройства в процессе проходки. Датчики температуры, установленные в корпусе подшипника, позволяют контролировать тепловое состояние узла. Превышение нормальной рабочей температуры свидетельствует о недостаточной смазке, повышенных нагрузках или начале процесса разрушения дорожек качения.
Измерение момента вращения режущей головки косвенно характеризует состояние ОПУ. Резкое увеличение момента может указывать на проникновение загрязнений в подшипник или повреждение уплотнений. Современные системы управления микротоннельными машинами регистрируют все параметры работы и предупреждают оператора о возможных неполадках.
Разработка и производство опорно-поворотных устройств для микротоннельных машин требует высокого уровня технологий и многолетнего опыта работы с тоннелепроходческим оборудованием. На мировом рынке представлена продукция нескольких ведущих производителей, специализирующихся на крупногабаритных подшипниках для горной и тоннельной техники.
Компания Liebherr выпускает широкую номенклатуру опорно-поворотных устройств для тоннелепроходческих машин всех типоразмеров. Производитель разрабатывает индивидуальные решения для каждого проекта с учетом специфических условий эксплуатации. Подшипники Liebherr применяются в микротоннельных комплексах различных производителей благодаря высокой надежности и технологичности конструкций.
Концерн thyssenkrupp rothe erde является одним из крупнейших мировых производителей крупногабаритных опорно-поворотных устройств. Компания изготовила более 2000 главных подшипников для тоннелепроходческих машин различного назначения. Специалисты thyssenkrupp разрабатывают уникальные решения для экстремальных условий, включая проходку в скальных породах и под высоким гидравлическим давлением.
Компания Herrenknecht как производитель микротоннельных комплексов комплектует свои машины опорно-поворотными устройствами собственной разработки или от специализированных поставщиков. Технические требования к ОПУ для микротоннелей серий AVN включают повышенные показатели герметичности, ресурса и стойкости к абразивному износу.
Опорно-поворотные устройства для микротоннельных машин проектируются в соответствии с требованиями международного стандарта ISO 281:2007 по расчету динамической грузоподъемности подшипников качения. Геометрия зубчатых венцов должна соответствовать стандартам ISO или DIN в зависимости от применяемой системы модуля зацепления.
Точность изготовления колец и дорожек качения регламентируется стандартами на подшипники качения. Для ОПУ микротоннельных машин применяется класс точности не ниже нормального, а для прецизионных комплексов могут использоваться подшипники повышенной точности. Контроль качества готовых изделий включает проверку геометрических параметров, твердости поверхности, момента вращения и герметичности уплотнений.
Для эффективной работы оборудования рекомендуем также рассмотреть:
ОПУ режущих головок микротоннельных машин работают в условиях прямого контакта с грунтом, абразивными частицами и подземными водами при высоком гидравлическом давлении. Они оснащаются специальными многоступенчатыми системами уплотнения, способными предотвращать проникновение загрязнений в рабочую зону подшипника. Дорожки качения и тела качения изготавливаются с повышенным запасом прочности для работы в условиях ударных нагрузок при встрече с твердыми включениями в грунте. Материалы уплотнительных элементов выбираются с учетом стойкости к абразивному износу и химической агрессии подземных вод.
Для микротоннелирования в скальных и полускальных породах применяются трехрядные роликовые опорно-поворотные устройства. Они обеспечивают максимальную грузоподъемность и жесткость, необходимые для восприятия высоких осевых нагрузок от дисковых резцов и опрокидывающих моментов при неравномерном разрушении забоя. Два ряда цилиндрических роликов воспринимают радиальные нагрузки, третий ряд работает на осевые и момент. Такая конструкция позволяет машинам диаметром 1200-2500 миллиметров развивать проталкивающее усилие до 800-1000 тонн, необходимое для эффективной работы в крепких породах.
Периодичность смазки опорно-поворотного устройства определяется условиями проходки и типом применяемой смазки. Типовая рекомендация производителей микротоннельных комплексов предусматривает подачу смазки после прокладки каждых 3-6 метров обделки. В тяжелых геологических условиях с высокой абразивностью грунта интервал смазки может сокращаться до 2-3 метров. Объем разовой подачи составляет 0,5-2 килограмма на метр диаметра ОПУ. Централизованная система смазки позволяет выполнять операцию дистанционно из пульта управления без остановки проходки. Контроль расхода смазки и температуры подшипника обеспечивает своевременное выявление проблем с герметичностью уплотнений.
Система уплотнения ОПУ микротоннельной машины должна обеспечивать защиту подшипника от проникновения грунта и воды при перепадах давления до 10 бар на глубинах проходки 20-30 метров. Применяются многоступенчатые конструкции с комбинацией лабиринтных и манжетных уплотнений. Первичное уплотнение со стороны забоя воспринимает основное давление пульпы. Между ступенями размещаются дренажные камеры для отвода просочившейся жидкости. Некоторые конструкции предусматривают подачу смазки под давлением в зону уплотнений для создания противодавления. Материалы уплотнительных элементов выбираются стойкими к абразивному износу и химической агрессии.
После завершения проходки опорно-поворотное устройство подлежит обязательному осмотру и дефектации. Проверяется состояние дорожек качения на наличие питтинга, трещин и следов абразивного износа. Измеряется люфт в подшипнике, контролируется момент вращения. При незначительном износе возможна замена тел качения, сепараторов и уплотнений с сохранением колец. Глубокие повреждения дорожек качения требуют полной замены ОПУ. Зубчатый венец при износе зубьев может быть отремонтирован наплавкой с последующей механической обработкой. Производители микротоннельных комплексов предоставляют регламенты обслуживания с указанием допустимых параметров износа для принятия решения о ремонте или замене.
Основная осевая нагрузка на ОПУ создается усилием продавливания щита домкратной станцией. Для микротоннельных машин диаметром 800-1200 миллиметров типичные значения составляют 400-600 тонн в зависимости от длины проходки и геологических условий. Например, комплекс Herrenknecht AVN 1200 оснащается домкратной станцией с усилием 500 тонн. В скальных породах нагрузки достигают 800-1000 тонн для машин большего диаметра. Дополнительное осевое усилие возникает от гидростатического давления грунтовых вод на лобовую поверхность щита. На глубине 20 метров давление составляет около 200 кПа, что создает усилие 200-250 килоньютонов для машины диаметром 1200 миллиметров. Предварительный натяг дорожек качения в ОПУ обеспечивает восприятие максимальных нагрузок без потери контакта тел качения с рабочими поверхностями.
Внутреннее и внешнее кольца ОПУ изготавливаются из конструкционных легированных сталей 50Mn, 42CrMo или 5CrMnMo с содержанием углерода 0,40-0,50 процента. Основа колец подвергается нормализации и улучшению для достижения твердости 25-35 HRC, обеспечивающей прочность и вязкость конструкции. Дорожки качения упрочняются поверхностной закалкой токами высокой частоты или цементацией до твердости 55-62 HRC на глубину 3-8 миллиметров. Тела качения изготавливаются из подшипниковой стали ШХ15 или GCr15 с твердостью 60-66 HRC. Зубчатый венец выполняется из сталей 35CrMo или 40Cr с закалкой зубьев до твердости 52-58 HRC.
Современные микротоннельные комплексы оснащаются системами мониторинга состояния опорно-поворотного устройства. Датчики температуры, установленные в корпусе подшипника, контролируют тепловое состояние узла. Превышение рабочей температуры свидетельствует о недостаточной смазке, повышенных нагрузках или начале разрушения дорожек качения. Измерение момента вращения режущей головки косвенно характеризует состояние ОПУ – резкое увеличение момента указывает на проникновение загрязнений или повреждение уплотнений. Система управления регистрирует все параметры и предупреждает оператора о возможных неполадках. Периодически проверяется расход смазки и давление в системе смазывания.
Данная статья носит исключительно ознакомительный характер и предназначена для предоставления общей технической информации об опорно-поворотных устройствах микротоннельных машин. Информация не является руководством по проектированию, эксплуатации или обслуживанию оборудования.
Автор не несет ответственности за любые последствия, возникшие в результате использования информации, изложенной в статье. Все технические решения, расчеты и выбор оборудования должны выполняться квалифицированными специалистами с учетом конкретных условий эксплуатации и в соответствии с действующими нормативными документами.
Для получения точных технических характеристик, рекомендаций по применению и обслуживанию необходимо обращаться к официальной документации производителей оборудования и профильным инжиниринговым организациям.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.