盾構機主軸承啟動性能試驗研究

司東宏，李小林，李倫，劉紅彬

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

1 前言

盾構機是一種集機、電、液及控制等多學科技術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，我國使用的盾構機大部分從國外引進，在我國地下空間大力開發利用的背景下，研制出具有自主知識產權的盾構機已迫在眉睫[1-2]。

主軸承是盾構機的關鍵零部件，盾構機的可靠性很大程度上取決于主軸承的性能。在盾構機掘進工作中，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機的整體性能起著關鍵的作用。文獻 [3]對盾構機主軸承的密封性進行了研究；文獻[4]研究了潤滑系統對盾構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]對主軸承的結構進行了設計分析；文獻[9]采用神經網絡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值計算的方法研究盾構機主軸承的力學性能，得到了一些有意義的理論結果。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生影響，下文通過建立的試驗平臺對盾構機主軸承啟動性能進行研究，為盾構機主軸承的研制提供相應的數據支持。

2 軸承受力分析

圖1所示為盾構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排滾子數為64；第2排滾子數為104；第3排滾子數為128。

圖1 盾構機主軸承三維實體模型

圖2所示為盾構機主軸承受力簡圖。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，作用在盾構機主軸承2個側面的偏心軸向力Fa1與Fa2，其大小與偏心距e相關。對于盾構機主軸承，偏心距的大小與盾構機工作刀盤的具體工作條件有關。根據實際工況該盾構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 盾構機主軸承受力簡圖

3 啟動性能試驗

圖3所示為盾構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、控制系統和檢測系統等組成。液壓加載系統包括徑向加載油缸、軸向加載油缸、液壓電動機、液壓油缸和油路等；控制系統主要包括試驗臺運轉控制電路、加載系統控制電路等；檢測系統主要包括扭矩傳感器、溫度傳感器、振動傳感器、力傳感器以及數據顯示、儲存和分析系統。通過試驗得到軸承啟動轉矩的變化規律，分析工況條件對盾構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 試驗裝置結構原理

盾構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合作用，軸承工作特點表現為大載荷、低轉速。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，使軸承內圈旋轉，從靜止狀態達到轉速為1 r/min,記錄傳感器的數據，包括施加的載荷、軸承溫度、電動機電流和啟動轉矩等。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。待試驗裝置轉速穩定后，停止記錄數據。

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矩曲線(某種載荷條件下)。由于試驗現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，使測試系統電路存在電流擾動，最終導致軸承轉矩曲線存在一些局部波動，但其對轉矩曲線總體變化趨勢影響不大。

圖4 試驗軸承轉矩

對軸承轉矩曲線進行光滑處理，去除轉矩曲線上波動較大的部分，得到如圖5所示的軸承實際轉矩曲線。由圖可知，軸承轉矩隨著檢測時間的推移而增加，最大值為軸承的啟動轉矩，轉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，轉矩開始下降，并在一定的范圍內波動(穩態轉矩)。根據實際轉矩(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，如啟動轉矩、啟動時間、穩態轉矩及其波動范圍和波動間隔等的變化規律。

圖5 軸承實際轉矩(平滑)曲線

為研究軸向載荷對軸承啟動性能的影響，設工況1：傾覆力矩為507.0 kN·m，徑向載荷為63.4 kN；設工況2：傾覆力矩為1 820.7 kN·m，徑向載荷為227.3 kN。軸承啟動轉矩Ts隨軸向載荷的變化如圖6所示，穩態轉矩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，軸承啟動轉矩和穩態轉矩基本保持線性增大。

圖6 啟動轉矩隨軸向載荷變化規律

圖7 穩態轉矩隨軸向載荷變化規律

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種轉矩均線性增大。

圖8 啟動轉矩隨傾覆力矩變化圖

圖9 穩態轉矩隨傾覆力矩變化圖

由上述分析結果可知，軸承啟動轉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，以軸向載荷和傾覆力矩序列作為自變量，轉矩作為函數，對軸承啟動轉矩和穩態轉矩進行擬合，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(1)式求得啟動轉矩的擬合曲線如圖6和圖8所示。擬合曲線與試驗曲線的趨勢比較吻合。根據(2)式求得穩態轉矩的擬合曲線如圖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 結論

分析盾構機主軸承受力情況，由啟動性能試驗得出以下結論。

(1)隨著軸向載荷的增加，軸承啟動轉矩和穩態轉矩線性增大。

(2)隨著傾覆力矩的增加，軸承啟動轉矩和穩態轉矩增大。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矩線性增大。