司東宏，李小林，李倫，劉紅彬

(1.河南科技大學 河南省機械設(shè)計及傳動系統(tǒng)重點實驗室，河南 洛陽 471003；2.河南工程學院 機械工程學院，鄭州 451191)

1 前言

盾構(gòu)機是一種集機、電、液及控制等多學科技術(shù)為一體的大型工程機械裝備，是隧道工程廣泛使用的重大裝備。目前，我國使用的盾構(gòu)機大部分從國外引進，在我國地下空間大力開發(fā)利用的背景下，研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的盾構(gòu)機已迫在眉睫[1-2]。

主軸承是盾構(gòu)機的關(guān)鍵零部件，盾構(gòu)機的可靠性很大程度上取決于主軸承的性能。在盾構(gòu)機掘進工作中，主軸承要承受軸向力、徑向力和傾覆力矩的作用，受力比較復雜[2-3]。通常主軸承的載荷比較大，變化復雜，軸承很容易產(chǎn)生較大的變形。因此，主軸承的啟動性能、承載能力和使用壽命對盾構(gòu)機的整體性能起著關(guān)鍵的作用。文獻 [3]對盾構(gòu)機主軸承的密封性進行了研究；文獻[4]研究了潤滑系統(tǒng)對盾構(gòu)機主軸承壽命的影響；文獻 [5]提出了主軸承潤滑故障的診斷方法和策略；文獻 [2,6]對主軸承的力學性能進行了數(shù)值分析；文獻 [7]對主軸承的可靠性進行了預測；文獻 [8]對主軸承的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計分析；文獻[9]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對主軸承的故障進行了研究。在這些研究中，主要集中于采用理論和數(shù)值計算的方法研究盾構(gòu)機主軸承的力學性能，得到了一些有意義的理論結(jié)果。由于在多列滾子軸承中每一列滾子通常有幾十甚至幾百個，載荷對滾子的累積作用比較復雜，會對主軸承整體性能產(chǎn)生影響，下文通過建立的試驗平臺對盾構(gòu)機主軸承啟動性能進行研究，為盾構(gòu)機主軸承的研制提供相應的數(shù)據(jù)支持。

2 軸承受力分析

圖1所示為盾構(gòu)機主軸承三維實體模型。該軸承為三列圓柱滾子軸承，2個套圈采用螺栓連接，三排滾子沿圓周均布。第1排滾子數(shù)為64；第2排滾子數(shù)為104；第3排滾子數(shù)為128。

圖1 盾構(gòu)機主軸承三維實體模型

圖2所示為盾構(gòu)機主軸承受力簡圖。軸承主要受到3個力的作用，其中軸向力Fa沿z軸正方向，主要作用在第1排滾子上；徑向力Fr沿x軸正方向，主要作用在第3排滾子上；傾覆力矩M繞y軸逆時針方向，主要由第1排滾子和第2排滾子單獨或共同承擔[5]。為了簡化計算，把M等價為2個大小相等、方向相反，作用在盾構(gòu)機主軸承2個側(cè)面的偏心軸向力Fa1與Fa2，其大小與偏心距e相關(guān)。對于盾構(gòu)機主軸承，偏心距的大小與盾構(gòu)機工作刀盤的具體工作條件有關(guān)。根據(jù)實際工況該盾構(gòu)機主軸承偏心距變化范圍為1.0～2.0 m，一般取偏心距e為1.0 m，對應的偏心軸向力的大小約為Fa1=Fa2。由上可知，該軸承的第1排和第2排滾子承受的力有軸向力Fa和偏心軸向力Fa1與Fa2，第3排滾子主要承受徑向力Fr。

圖2 盾構(gòu)機主軸承受力簡圖

3 啟動性能試驗

圖3所示為盾構(gòu)機主軸承啟動性能試驗裝置，主要由減速器、加載力臂、液壓加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)等組成。液壓加載系統(tǒng)包括徑向加載油缸、軸向加載油缸、液壓電動機、液壓油缸和油路等；控制系統(tǒng)主要包括試驗臺運轉(zhuǎn)控制電路、加載系統(tǒng)控制電路等；檢測系統(tǒng)主要包括扭矩傳感器、溫度傳感器、振動傳感器、力傳感器以及數(shù)據(jù)顯示、儲存和分析系統(tǒng)。通過試驗得到軸承啟動轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律，分析工況條件對盾構(gòu)機主軸承啟動性能的影響。

1—減速器；2—扭矩傳感器；3—被試軸承；4—加載臂；5—徑向加載油缸；6—支承小車；7—軸向加載油缸圖3 試驗裝置結(jié)構(gòu)原理

盾構(gòu)機主軸承在工作過程中受到傾覆力矩、徑向和軸向載荷的聯(lián)合作用，軸承工作特點表現(xiàn)為大載荷、低轉(zhuǎn)速。試驗在室溫條件下進行。試驗前，先檢查軸承的潤滑情況，從上端面給主軸承腔注滿N100齒輪油(為保證軸承各排滾子能夠有效潤滑，視潤滑油的泄漏情況，在試驗過程中每隔2 h從上端面加注N100齒輪油0.5～1 L)；設(shè)定不同的傾覆力矩、徑向載荷和軸向載荷，啟動試驗裝置，使軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，從靜止狀態(tài)達到轉(zhuǎn)速為1 r/min,記錄傳感器的數(shù)據(jù)，包括施加的載荷、軸承溫度、電動機電流和啟動轉(zhuǎn)矩等。為了檢測主軸承在圓周上不同位置的啟動性能，在軸承圓周上均布測量點4～6個，按1 000點/s的速度記錄軸承的啟動過程。待試驗裝置轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，停止記錄數(shù)據(jù)。

試驗過程中，軸承溫度峰值在46 ℃左右，說明軸承潤滑狀況良好。圖4所示為試驗軸承的轉(zhuǎn)矩曲線(某種載荷條件下)。由于試驗現(xiàn)場有正在工作的大型立式車床，車床的啟、停造成地基振動和較大的電流波動，使測試系統(tǒng)電路存在電流擾動，最終導致軸承轉(zhuǎn)矩曲線存在一些局部波動，但其對轉(zhuǎn)矩曲線總體變化趨勢影響不大。

圖4 試驗軸承轉(zhuǎn)矩

對軸承轉(zhuǎn)矩曲線進行光滑處理，去除轉(zhuǎn)矩曲線上波動較大的部分，得到如圖5所示的軸承實際轉(zhuǎn)矩曲線。由圖可知，軸承轉(zhuǎn)矩隨著檢測時間的推移而增加，最大值為軸承的啟動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩從最小值增大到最大值的時間為軸承的啟動時間。到達最大值后，轉(zhuǎn)矩開始下降，并在一定的范圍內(nèi)波動(穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩)。根據(jù)實際轉(zhuǎn)矩(平滑)曲線，可以得到不同工況下以及圓周方向上不同位置軸承的啟動性能參數(shù)，如啟動轉(zhuǎn)矩、啟動時間、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩及其波動范圍和波動間隔等的變化規(guī)律。

圖5 軸承實際轉(zhuǎn)矩(平滑)曲線

為研究軸向載荷對軸承啟動性能的影響，設(shè)工況1：傾覆力矩為507.0 kN·m，徑向載荷為63.4 kN；設(shè)工況2：傾覆力矩為1 820.7 kN·m，徑向載荷為227.3 kN。軸承啟動轉(zhuǎn)矩Ts隨軸向載荷的變化如圖6所示，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩Tste隨軸向載荷的變化如圖7所示。由圖可知，隨著軸向載荷的增加，軸承啟動轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩基本保持線性增大。

圖6 啟動轉(zhuǎn)矩隨軸向載荷變化規(guī)律

圖7 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨軸向載荷變化規(guī)律

圖8所示為Ts隨傾覆力矩的變化，圖9所示為Tste隨傾覆力矩的變化。由圖可知，隨著傾覆力矩的增大，Ts和Tste均增大；當傾覆力矩較小時，曲線呈非線性變化，傾覆力矩大于1 000 kN·m時，隨著傾覆力矩的增大，2種轉(zhuǎn)矩均線性增大。

圖8 啟動轉(zhuǎn)矩隨傾覆力矩變化圖

圖9 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨傾覆力矩變化圖

由上述分析結(jié)果可知，軸承啟動轉(zhuǎn)矩隨著傾覆力矩和軸向載荷的增大而增大。由于徑向載荷與傾覆力矩耦合在一起，是非獨立的變量。在Origin軟件中，利用Polynomial fit多項式擬合函數(shù)，以軸向載荷和傾覆力矩序列作為自變量，轉(zhuǎn)矩作為函數(shù)，對軸承啟動轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩進行擬合，可得到

Ts=4 563.008 7+2.122 8M+4.045 6Fa；

(1)

Tste=915.309+1.682 8M+3.430 2Fa。

(2)

根據(jù)(1)式求得啟動轉(zhuǎn)矩的擬合曲線如圖6和圖8所示。擬合曲線與試驗曲線的趨勢比較吻合。根據(jù)(2)式求得穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩的擬合曲線如圖7和圖9所示。擬合曲線和試驗曲線的變化趨勢比較吻合。

4 結(jié)論

分析盾構(gòu)機主軸承受力情況，由啟動性能試驗得出以下結(jié)論。

(1)隨著軸向載荷的增加，軸承啟動轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩線性增大。

(2)隨著傾覆力矩的增加，軸承啟動轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩增大。當傾覆力矩較小時，曲線呈非線性變化；當傾覆力矩大于1 000 kN·m時，隨著傾覆力矩的增大轉(zhuǎn)矩線性增大。