司東宏，李小林，李倫，劉紅彬

(1.河南科技大學(xué) 河南省機(jī)械設(shè)計(jì)及傳動(dòng)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471003；2.河南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州 451191)

1 前言

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

主軸承是盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵零部件，盾構(gòu)機(jī)的可靠性很大程度上取決于主軸承的性能。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)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(fù)雜[2-3]。通常主軸承的載荷比較大，變化復(fù)雜，軸承很容易產(chǎn)生較大的變形。因此，主軸承的啟動(dòng)性能、承載能力和使用壽命對(duì)盾構(gòu)機(jī)的整體性能起著關(guān)鍵的作用。文獻(xiàn) [3]對(duì)盾構(gòu)機(jī)主軸承的密封性進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[4]研究了潤(rùn)滑系統(tǒng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)主軸承壽命的影響；文獻(xiàn) [5]提出了主軸承潤(rùn)滑故障的診斷方法和策略；文獻(xiàn) [2,6]對(duì)主軸承的力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值分析；文獻(xiàn) [7]對(duì)主軸承的可靠性進(jìn)行了預(yù)測(cè)；文獻(xiàn) [8]對(duì)主軸承的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析；文獻(xiàn)[9]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)主軸承的故障進(jìn)行了研究。在這些研究中，主要集中于采用理論和數(shù)值計(jì)算的方法研究盾構(gòu)機(jī)主軸承的力學(xué)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(gè)，載荷對(duì)滾子的累積作用比較復(fù)雜，會(huì)對(duì)主軸承整體性能產(chǎn)生影響，下文通過(guò)建立的試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)盾構(gòu)機(jī)主軸承啟動(dòng)性能進(jìn)行研究，為盾構(gòu)機(jī)主軸承的研制提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。

2 軸承受力分析

圖1所示為盾構(gòu)機(jī)主軸承三維實(shí)體模型。該軸承為三列圓柱滾子軸承，2個(gè)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(jī)主軸承三維實(shí)體模型

圖2所示為盾構(gòu)機(jī)主軸承受力簡(jiǎn)圖。軸承主要受到3個(gè)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(shí)針?lè)较?，主要由?排滾子和第2排滾子單獨(dú)或共同承擔(dān)[5]。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，把M等價(jià)為2個(gè)大小相等、方向相反，作用在盾構(gòu)機(jī)主軸承2個(gè)側(cè)面的偏心軸向力Fa1與Fa2，其大小與偏心距e相關(guān)。對(duì)于盾構(gòu)機(jī)主軸承，偏心距的大小與盾構(gòu)機(jī)工作刀盤(pán)的具體工作條件有關(guān)。根據(jù)實(shí)際工況該盾構(gòu)機(jī)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(duì)應(yīng)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(jī)主軸承受力簡(jiǎn)圖

3 啟動(dòng)性能試驗(yàn)

圖3所示為盾構(gòu)機(jī)主軸承啟動(dòng)性能試驗(yàn)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(cè)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(dòng)機(jī)、液壓油缸和油路等；控制系統(tǒng)主要包括試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)控制電路、加載系統(tǒng)控制電路等；檢測(cè)系統(tǒng)主要包括扭矩傳感器、溫度傳感器、振動(dòng)傳感器、力傳感器以及數(shù)據(jù)顯示、儲(chǔ)存和分析系統(tǒng)。通過(guò)試驗(yàn)得到軸承啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律，分析工況條件對(duì)盾構(gòu)機(jī)主軸承啟動(dòng)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(yàn)裝置結(jié)構(gòu)原理

盾構(gòu)機(jī)主軸承在工作過(guò)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(diǎn)表現(xiàn)為大載荷、低轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)在室溫條件下進(jìn)行。試驗(yàn)前，先檢查軸承的潤(rùn)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(rùn)滑，視潤(rùn)滑油的泄漏情況，在試驗(yàn)過(guò)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(dòng)試驗(yàn)裝置，使軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，從靜止?fàn)顟B(tài)達(dá)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(dòng)機(jī)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩等。為了檢測(cè)主軸承在圓周上不同位置的啟動(dòng)性能，在軸承圓周上均布測(cè)量點(diǎn)4～6個(gè)，按1 000點(diǎn)/s的速度記錄軸承的啟動(dòng)過(guò)程。待試驗(yàn)裝置轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，停止記錄數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)過(guò)程中，軸承溫度峰值在46 ℃左右，說(shuō)明軸承潤(rùn)滑狀況良好。圖4所示為試驗(yàn)軸承的轉(zhuǎn)矩曲線(某種載荷條件下)。由于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)有正在工作的大型立式車床，車床的啟、停造成地基振動(dòng)和較大的電流波動(dòng)，使測(cè)試系統(tǒng)電路存在電流擾動(dòng)，最終導(dǎo)致軸承轉(zhuǎn)矩曲線存在一些局部波動(dòng)，但其對(duì)轉(zhuǎn)矩曲線總體變化趨勢(shì)影響不大。

圖4 試驗(yàn)軸承轉(zhuǎn)矩

對(duì)軸承轉(zhuǎn)矩曲線進(jìn)行光滑處理，去除轉(zhuǎn)矩曲線上波動(dòng)較大的部分，得到如圖5所示的軸承實(shí)際轉(zhuǎn)矩曲線。由圖可知，軸承轉(zhuǎn)矩隨著檢測(cè)時(shí)間的推移而增加，最大值為軸承的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩從最小值增大到最大值的時(shí)間為軸承的啟動(dòng)時(shí)間。到達(dá)最大值后，轉(zhuǎn)矩開(kāi)始下降，并在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)(穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩)。根據(jù)實(shí)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(dòng)性能參數(shù)，如啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、啟動(dòng)時(shí)間、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩及其波動(dòng)范圍和波動(dòng)間隔等的變化規(guī)律。

圖5 軸承實(shí)際轉(zhuǎn)矩(平滑)曲線

為研究軸向載荷對(duì)軸承啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩基本保持線性增大。

圖6 啟動(dòng)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T(mén)s隨傾覆力矩的變化，圖9所示為T(mén)ste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(dāng)傾覆力矩較小時(shí)，曲線呈非線性變化，傾覆力矩大于1 000 kN·m時(shí)，隨著傾覆力矩的增大，2種轉(zhuǎn)矩均線性增大。

圖8 啟動(dòng)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(dòng)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(dú)立的變量。在Origin軟件中，利用Polynomial fit多項(xiàng)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(duì)軸承啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩進(jìn)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(dòng)轉(zhuǎn)矩的擬合曲線如圖6和圖8所示。擬合曲線與試驗(yàn)曲線的趨勢(shì)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(yàn)曲線的變化趨勢(shì)比較吻合。

4 結(jié)論

分析盾構(gòu)機(jī)主軸承受力情況，由啟動(dòng)性能試驗(yàn)得出以下結(jié)論。

(1)隨著軸向載荷的增加，軸承啟動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩增大。當(dāng)傾覆力矩較小時(shí)，曲線呈非線性變化；當(dāng)傾覆力矩大于1 000 kN·m時(shí)，隨著傾覆力矩的增大轉(zhuǎn)矩線性增大。