盾构机主轴承启动性能试验研究

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Experimental Research on Starting Performance of M ain Bearingsin Tunnel Boring M achineSi Dong-hong，Li Xiao-lin，Li Lun，Liu Hong-bin(1.Henan Key Laboratory for Machinery Design and Transmission System，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471003，China；2.School of Mechanical Engineering，Henan Institute of Engineering，Zhengzhou 451191)Abstract：The external load is analyzed on main bearings in tunnel boring machine，and the experimental system isbuilt for starting performance of tunnel boring machine.The variation rules of starting torque and steady--state torque ofmain bearings are analyzed by testing starting performance of main bearings.The results show that the starting torqueand steady-state torque increase linearly with the axial loads.Moreover，the starting torque and steady-state torqueincrease nonlinearly with the increase of overturning moment when the overturning moment is smaller，the startingtorque and steady-state torque increase linearly with the increase of overturning moment when the overturning momentexceeds about 1 000 kN -m.The equations are provided about the starting torque and steady-state torque of bearings。

Key words：tunnel boring machine；rolling beating；main beating；starting perform ance1 前言盾构机是-种集机、电、液及控制等多学科技术为-体的大型工程机械装备，是隧道工程广泛使用的重大装备。目前，我国使用的盾构机大部分从国外引进，在我国地下空间大力开发利用的背景下，研制出具有 自主知识产权的盾构机已迫在眉睫 o主轴承是盾构机的关键零部件，盾构机的可靠性很大程度上撒于主轴承的性能。在盾构机收稿日期：2012-12-18；修回日期：2013-02-19基金项目：国家八六三”项 目(2007AAIM1801)作者简介：司东宏(1962- )，男，高级工程师，主要研究方向为测试技术、机械系统分析。

掘进工作中，主轴承要承受轴向力、径向力和倾覆力矩的作用，受力比较复杂 j。通常主轴承的载荷比较大，变化复杂，轴承很容易产生较大的变形。因此，主轴承的启动性能、承载能力和使用寿命对盾构机的整体性能起着关键的作用。文献[3]对盾构机主轴承的密封性进行了研究；文献[4]研究了润滑系统对盾构机主轴承寿命的影响；文献 [5]提出了主轴承润滑故障的诊断方法和策略；文献 [2，6]对主轴承的力学性能进行了数值分析；文献 [7]对主轴承的可靠性进行了预测；文献 [8]对主轴承的结构进行了设计分析；文献[9]采用神经网络对主轴承的故障进行了研究。在这些研究中，主要集中于采用理论和数值计算的方法研究盾构机主轴承的力学性能，得到了-些有· 40· 《轴承)2013.No.7意义的理论结果。由于在多列滚子轴承中每-列滚子通常有几十甚至几百个，载荷对滚子的累积作用比较复杂，会对主轴承整体性能产生影响，下文通过建立的试验平台对盾构机主轴承启动性能进行研究，为盾构机主轴承的研制提供相应的数据支持。

2 轴承受力分析图 1所示为盾构机主轴承三维实体模型。该轴承为三列圆柱滚子轴承，2个套圈采用螺栓连接，三排滚子沿圆周均布。第 1排滚子数为64；第2排滚子数为 104；第 3排滚子数为 128。

图 1 盾构机 主轴承三维买体模 型图2所示为盾构机主轴承受力简图。轴承主要受到3个力的作用，其中轴向力 F 沿 轴正方向，主要作用在第 1排滚子上；径向力 F 沿 轴正方向，主要作用在第 3排滚子上；倾覆力矩 绕 Y轴逆时针方向，主要由第 1排滚子和第 2排滚子单独或共同承担l5]。为了简化计算，把 等价为2个大小相等、方向相反，作用在盾构机主轴承 2个侧面的偏心轴向力 F。，与 F 其大小与偏心距 e相关。对于盾构机主轴承，偏心距的大小与盾构机工作刀盘的具体工作条件有关。根据实际工况该盾构机主轴承偏心距变化范围为 1.0～2.0 m，- 般取偏心距 e为 1.0 m，对应的偏心轴向力的大小约为 F F 。由上可知，该轴承的第 1排和第2排滚子承受的力有轴向力 F。和偏心轴向力 F与F 第3排滚子主要承受径向力 F 。

第3排滚子图2 盾构机主轴承受力简图3 启动性能试验图3所示为盾构机主轴承启动性能试验装置，主要由减速器、加载力臂、液压加载系统、控制系统和检测系统等组成。液压加载系统包括径向加载油缸、轴向加载油缸、液压电动机、液压油缸和油路等；控制系统主要包括试验台运转控制电路、加载系统控制电路等；检测系统主要包括扭矩传感器、温度传感器、振动传感器、力传感器以及数据显示、储存和分析系统。通过试验得到轴承启动转矩的变化规律，分析工况条件对盾构机主轴承启动性能的影响。

1-减速器；2-扭矩传感器；3-被试轴承；4-加载臂；5-径向加载油缸 ；6-支承小车；7-轴向加载油缸图 3 试验 装置结构原理盾构机主轴承在工作过程中受到倾覆力矩、径向和轴向载荷的联合作用，轴承工作特点表现为大载荷、低转速。试验在室温条件下进行。试验前，先检查轴承的润滑情况，从上端面给主轴承腔注满 N100齿轮油(为保证轴承各排滚子能够有效润滑，视润滑油的泄漏情况，在试验过程中每隔2 h从上端面加注 N100齿轮油0.5～1 L)；设定不同的倾覆力矩、径向载荷和轴向载荷，启动试验装置，使轴承内圈旋转，从静止状态达到转速为 1r/min，记录传感器的数据，包括施加的载荷、轴承温度、电动机电流和启动转矩等。为了检测主轴承在圆周上不同位置的启动性能，在轴承圆周上均布测量点4～6个，按 1 000点/s的速度记录轴承的启动过程。待试验装置转速稳定后，停止记录数据。

试验过程中，轴承温度峰值在 46 c左右，说明轴承润滑状况良好。图4所示为试验轴承的转矩曲线(某种载荷条件下)。由于试验现场有正在工作的大型立式车床，车床的启、停造成地基振动和较大的电流波动，使测试系统电路存在电流扰动，最终导致轴承转矩曲线存在-些局部波动，但司东宏 ，等：盾构机主轴承启动性能试验研究其对转矩曲线总体变化趋势影响不大。

图4 试 验轴承转矩对轴承转矩曲线进行光滑处理，去除转矩曲线上波动较大的部分，得到如图5所示的轴承实际转矩曲线。由图可知，轴承转矩随着检测时间的推移而增加，最大值为轴承的启动转矩，转矩从最小值增大到最大值的时间为轴承的启动时间。

到达最大值后，转矩开始下降，并在-定的范围内波动(稳态转矩)。根据实际转矩(平滑)曲线，可以得到不同工况下以及圆周方向上不同位置轴承的启动性能参数，如启动转矩、启动时间、稳态转矩及其波动范围和波动间隔等的变化规律。

U l UUU 2 000 3 UUlJ 4 UUu UUU时间/ms图5 轴承实际转矩(平滑)曲线为研究轴向载荷对轴承启动性能的影响，设工况 1：倾覆力矩为 507.0 kN·m，径向载荷为63.4 kN；设工况2：倾覆力矩为1 820.7 kN·m，径向载荷为 227.3 kN。轴承启动转矩 随轴向载荷的变化如图6所示，稳态转矩 随轴向载荷的变化如图7所示。由图可知，随着轴向载荷的增加，轴承启动转矩和稳态转矩基本保持线性增大。

0 500 1 000 1 500 2∞O 2 500轴向鞔图6 启动转矩随轴向载荷变化规律轴向翱 /图7 稳态转矩随轴向载荷变化规律图8所示为 随倾覆力矩的变化，图 9所示为 。随倾覆力矩的变化。由图可知，随着倾覆力矩的增大， 和 均增大；当倾覆力矩较小时，曲线呈非线性变化，倾覆力矩大于 1 000 kN·m时，随着倾覆力矩的增大，2种转矩均线性增大。

倾覆力矩M I ·m)图8 启动转矩随倾覆力矩变化图500 l(110 l 5.J0 2 U) 2 5OJ 3(0O倾覆力矩 /o ·in)图9 稳态转矩随倾覆力矩变化图由上述分析结果可知，轴承启动转矩随着倾覆力矩和轴向载荷的增大而增大。由于径向载荷与倾覆力矩耦合在-起，是非独立的变量。在Ori-gin软件中，利用 Polynomial fit多项式拟合函数，以轴向载荷和倾覆力矩序列作为自变量，转矩作为函数，对轴承启动转矩和稳态转矩进行拟合，可得到：4 563.008 7 2.122 8M 4.045 6F. ；(1)Ts 。 915.309 1.682 8M 3.430 2F 。

(2)根据(1)式求得启动转矩的拟合曲线如图 6和图8所示。拟合曲线与试验曲线的趋势比较吻(下转第46页)售.茧 - 辑2 O 8 6 4 2 O 冒 .蚤 - 辱毒糟蒋6 4 2 0 8 6 4 2 O (I1.萤 ＆ 林8 6 4 2 0 8 6 4 2 言 .7 督· 46· 《轴承2013.No.7较好的思路是直接研究噪声问题。另-方面也说明当前测量轴承振动的方法在某些情况下是不全面的，不能有效地反映轴承各个部位、各个 自由度上的振动情况。对于轴承这种复杂的振动噪声系统，振动和噪声的关系还需要更深入的研究。必须指出，文中的结论不是对现有测量方案的否定，只是指出现行测量方法在某些情况下存在-定的局限性，也说明灰色关联度方法对于轴承噪声与振动问题的研究是有效的。另外，局部关联度函数还有进-步分析探究的空间，需要进-步的研究、讨论。