李帥遠(yuǎn)， 周建軍， 王承山， 楊延棟， 江益輝

（1.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001；2.中鐵南方投資集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

《工程機(jī)械行業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃》中強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)發(fā)展大直徑和超大直徑掘進(jìn)機(jī)技術(shù)，解決盾構(gòu)機(jī)等掘進(jìn)機(jī)零部件供應(yīng)鏈假設(shè)問(wèn)題［1-2］。

主驅(qū)動(dòng)軸承作為隧道掘進(jìn)機(jī)的核心關(guān)鍵部件，其服役狀態(tài)及性能的好壞直接決定隧道掘進(jìn)機(jī)的服役壽命。主驅(qū)動(dòng)軸承帶動(dòng)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)并承受巨大扭矩［3-4］。在施工中，大型掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動(dòng)軸承需滿(mǎn)足復(fù)雜工況下的高可靠性，而在服役過(guò)程中其承受大傾覆力矩、大扭矩及沖擊載荷等作用，易發(fā)生滾道大塑性變形和異常磨損、滾子開(kāi)裂以及連接螺栓失效等故障。若主驅(qū)動(dòng)軸承失效，則必須更換，隧道內(nèi)主驅(qū)動(dòng)軸承更換難度非常大，而且嚴(yán)重延誤工程工期［5-7］。

在隧道施工過(guò)程中，主驅(qū)動(dòng)軸承要承受軸向力、徑向力和傾覆力矩的作用，受復(fù)雜地質(zhì)條件的影響主驅(qū)動(dòng)軸承受力比較復(fù)雜。靳東亮等［8］對(duì)以往大型掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動(dòng)軸承失效案例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并通過(guò)失效因素和模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)主驅(qū)動(dòng)軸承失效的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行評(píng)估。孫明帥［9］基于Adams 軟件分別建立盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)軸承和主減速器的多體動(dòng)力學(xué)模型，分析發(fā)生局部故障時(shí)系統(tǒng)的振動(dòng)特性。蘇鵬程等［10］對(duì)盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)軸承進(jìn)行了強(qiáng)度有限元分析，研究了主驅(qū)動(dòng)軸承的邊界條件、加載方式及載荷的等效計(jì)算方法。王艷波［11］分析了主驅(qū)動(dòng)軸承失效形式，并結(jié)合蘭渝鐵路西秦嶺隧道探討了TBM（tunnel boring machine）施工中主驅(qū)動(dòng)軸承的維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)及主驅(qū)動(dòng)軸承在施工中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)的應(yīng)對(duì)措施，為準(zhǔn)確判斷主驅(qū)動(dòng)軸承內(nèi)部隱患提供指導(dǎo)。張濤等［12］對(duì)國(guó)產(chǎn)4.8 m 主驅(qū)動(dòng)軸承在軸向載荷與傾覆力矩聯(lián)合作用產(chǎn)生的偏載荷下的安全性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在偏載荷作用下主驅(qū)動(dòng)軸承的失效容易發(fā)生在主推滾道和主推滾子上。

在盾構(gòu)／風(fēng)電轉(zhuǎn)盤(pán)軸承綜合性能試驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動(dòng)軸承施加軸向載荷、徑向載荷、傾覆載荷，分析復(fù)雜工況下主驅(qū)動(dòng)軸承性能。

1 軸承綜合性能試驗(yàn)平臺(tái)

盾構(gòu)／風(fēng)電轉(zhuǎn)盤(pán)軸承綜合性能試驗(yàn)平臺(tái)可全模擬盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)軸承的載荷工況，對(duì)試驗(yàn)軸承施加徑向載荷、軸向載荷和傾覆力矩，以驗(yàn)證軸承的工作性能。主驅(qū)動(dòng)軸承綜合性能試驗(yàn)平臺(tái)主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、加載系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 綜合性能試驗(yàn)平臺(tái)

驅(qū)動(dòng)組件由液壓電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)框架、聯(lián)軸器、減速機(jī)、扭矩傳感器等組成，通過(guò)末端小齒輪與轉(zhuǎn)盤(pán)軸承齒輪嚙合帶動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)組件簡(jiǎn)圖如圖2 所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)組件簡(jiǎn)圖

基于比例液壓控制的集成油缸群組異向精密加載設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)軸承的超大傾覆力矩、超大載荷液壓加載。設(shè)計(jì)四組油缸完成軸承軸向力Fa、徑向力Fr和傾覆力矩M的加載（F1～F4），液壓油缸布局如圖3所示。

圖3 液壓油缸布局

2 軸承性能試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)軸承

試驗(yàn)軸承選用兩套外圈尺寸為Φ4 800 mm 的三排圓柱滾子軸承，軸承套圈材料為42CrMo4，滾動(dòng)體材料為GCr18Mo 和GCr15SiMn，試驗(yàn)軸承如圖4 所示。兩套軸承“背靠背”安裝，其中一套作為主試軸承，另一套作為陪試軸承，以消除軸承旋轉(zhuǎn)副。

圖4 試驗(yàn)軸承

2.2 試驗(yàn)裝配方案

為滿(mǎn)足試驗(yàn)軸承的測(cè)試需求，采用轉(zhuǎn)接盤(pán)實(shí)現(xiàn)主試軸承和陪試軸承之間“背靠背”安裝［13-14］，試驗(yàn)軸承安裝如圖5 所示。

圖5 試驗(yàn)軸承安裝

為滿(mǎn)足試驗(yàn)軸承的測(cè)試需求，設(shè)計(jì)了一套試驗(yàn)工裝，試驗(yàn)工裝的總裝配如圖6 所示。安裝時(shí)，先將主轉(zhuǎn)接盤(pán)、主試軸承與驅(qū)動(dòng)組件裝配好，再整體安裝至主軸承性能試驗(yàn)架上；之后依次安裝中間轉(zhuǎn)接盤(pán)（左）、中間轉(zhuǎn)接盤(pán)（右）、陪試軸承與副轉(zhuǎn)接盤(pán)，以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)軸承的正常性能測(cè)試。

圖6 試驗(yàn)工裝的總裝配

2.3 主驅(qū)動(dòng)軸承試驗(yàn)方案

在試驗(yàn)開(kāi)始前先對(duì)掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動(dòng)軸承進(jìn)行磨合，磨合過(guò)程中觀察試驗(yàn)軸承的溫度、振動(dòng)和噪聲等，確保試驗(yàn)平臺(tái)各系統(tǒng)正常運(yùn)行，測(cè)控軟件能夠完成對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)的控制。若無(wú)異常則進(jìn)行正式試驗(yàn)；若有異常則停機(jī)檢查，待故障排除后重新進(jìn)行磨合試驗(yàn)［15］。

磨合試驗(yàn)完成后，按不同工況測(cè)試軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)性能。主要進(jìn)行極限工況和多工況軸承性能試驗(yàn)，多工況性能試驗(yàn)合計(jì)進(jìn)行360 h，并記錄運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中軸承的工作載荷、轉(zhuǎn)速、扭矩，測(cè)試軸承運(yùn)轉(zhuǎn)性能。主驅(qū)動(dòng)軸承性能試驗(yàn)工況如表1 所示。

表1 主驅(qū)動(dòng)軸承性能試驗(yàn)工況

3 結(jié)果與分析

開(kāi)展主驅(qū)動(dòng)軸承軸向力、徑向力及傾覆力矩模擬加載的臺(tái)架試驗(yàn)。為模擬軸承在掘進(jìn)機(jī)上的潤(rùn)滑冷卻效果，采用噴油潤(rùn)滑方式，潤(rùn)滑油種類(lèi)為shell 320。試驗(yàn)過(guò)程中軸承溫度均在40 ℃以下，說(shuō)明試驗(yàn)軸承潤(rùn)滑狀況良好。通過(guò)分析不同工況下掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動(dòng)軸承軸向力、徑向力及傾覆力矩變化，對(duì)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)性能進(jìn)行評(píng)估。

由于試驗(yàn)軸承為國(guó)產(chǎn)新制造軸承，需先進(jìn)行磨合試驗(yàn)。在相對(duì)較小載荷和傾覆力矩下對(duì)試驗(yàn)軸承進(jìn)行初步磨合，使新軸承內(nèi)部油脂均勻，以降低軸承故障率。從磨合工況初始狀態(tài)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行軸承運(yùn)轉(zhuǎn)性能分析。

磨合工況下主驅(qū)動(dòng)軸承載荷變化及傾覆力矩變化如圖7 和圖8 所示。由圖7 和圖8 可見(jiàn)，試驗(yàn)在磨合工況1 條件下，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中軸向力Fa、徑向力Fr及傾覆力矩M存在較大波動(dòng)，軸向力Fa最大波動(dòng)幅度為26.55%，徑向力Fr最大波動(dòng)幅度為4.95%，傾覆力矩M最大波動(dòng)幅度為41.07%，原因?yàn)樾轮圃燧S承處于未應(yīng)用狀態(tài)，內(nèi)部油脂不均勻。工況1 下主驅(qū)動(dòng)軸承磨合一段時(shí)間后，增大軸承的軸向力、徑向力及傾覆力矩開(kāi)展工況2 下的主驅(qū)動(dòng)軸承磨合試驗(yàn)。從圖7 和圖8 還可以看出，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中軸向力Fa相對(duì)穩(wěn)定，徑向力Fr最大波動(dòng)幅度為1.60%，傾覆力矩M最大波動(dòng)幅度為1.72%，徑向力Fr及傾覆力矩M存在小范圍波動(dòng)。

圖7 磨合工況下主驅(qū)動(dòng)軸承載荷變化

圖8 磨合工況下主驅(qū)動(dòng)軸承傾覆力矩變化

磨合試驗(yàn)完成后進(jìn)行多工況軸承試驗(yàn)，試驗(yàn)中設(shè)定軸承徑向力為4.5 MN，工況3 ～5 軸承軸向力逐步增大，多工況下軸承軸向載荷、徑向載荷和傾覆力矩按照工況3—4—5 進(jìn)行循環(huán)加載，記錄試驗(yàn)中載荷、傾覆力矩和作用時(shí)間等。

多工況下主驅(qū)動(dòng)軸承軸向力變化和徑向力變化如圖9 和圖10 所示。可以看出，工況3、4、5 下軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中軸向力Fa相對(duì)穩(wěn)定，徑向力Fr存在相對(duì)明顯的波動(dòng)，工況3 下徑向力Fr最大波動(dòng)幅度為2.91%，工況4 下徑向力Fr最大波動(dòng)幅度為3.57%，工況5 下徑向力Fr最大波動(dòng)幅度為2.29%。多工況下主驅(qū)動(dòng)軸承傾覆力矩變化如圖11 所示?？梢钥闯?，多工況下軸承傾覆力矩在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)后保持相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)。

圖9 多工況下主驅(qū)動(dòng)軸承軸向力變化

圖11 多工況下主驅(qū)動(dòng)軸承傾覆力矩變化

極限工況下軸承軸向力、徑向力和傾覆力矩為最大狀態(tài)，轉(zhuǎn)速為0 r／min，記錄極限工況下載荷、傾覆力矩和作用時(shí)間等。

極限工況下主驅(qū)動(dòng)軸承載荷變化和傾覆力矩變化如圖12 和圖13 所示。由圖12 和圖13 可見(jiàn)，極限工況下，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中軸向力Fa、徑向力Fr及傾覆力矩M變化趨勢(shì)大致相同，均先增大并超過(guò)設(shè)定軸向力、徑向力和傾覆力矩，受設(shè)備加載性能的影響，軸向力、傾覆力矩不能持續(xù)保持極限值，在極限5 s左右后減小并保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行。

圖12 極限工況下主驅(qū)動(dòng)軸承載荷變化

圖13 極限工況下主驅(qū)動(dòng)軸承傾覆力矩變化

試驗(yàn)后對(duì)軸承進(jìn)行拆解，軸承拆解檢測(cè)如圖14 所示。拆解后軸承軸向游隙為0.28 mm，滿(mǎn)足0.24 ～0.39 mm技術(shù)要求，軸承徑向游隙為0.36 mm，滿(mǎn)足徑向游隙0.20 ～0.40 mm 技術(shù)要求。軸承拆解檢查后發(fā)現(xiàn)，各摩擦副表面有正常的接觸痕跡，滾道表面在滾子兩端接觸區(qū)域有深度0.04 mm 的臺(tái)階狀壓痕。

圖14 軸承拆解檢測(cè)

4 結(jié)語(yǔ)

在磨合工況和多工況下進(jìn)行主驅(qū)動(dòng)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中軸承溫度在40 ℃以下，說(shuō)明軸承潤(rùn)滑狀況良好。在規(guī)定工作載荷工況下，徑向力Fr最大波動(dòng)幅度為3.57%，軸向力和傾覆力矩的波動(dòng)幅度最大不超過(guò)3.00%，主驅(qū)動(dòng)軸承運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)；極限載荷下持續(xù)時(shí)間5 s左右，受設(shè)備性能影響，軸承軸向力、徑向力和傾覆力矩減小至極限值以下平穩(wěn)運(yùn)行。試驗(yàn)后對(duì)主驅(qū)動(dòng)軸承進(jìn)行拆解，軸承軸向游隙和徑向游隙均滿(mǎn)足軸承技術(shù)要求，并且軸承狀態(tài)良好。