盾构机主轴承启动性能试验研究

司东宏，李小林，李伦，刘红彬

(1.河南科技大学 河南省机械设计及传动系统重点实验室，河南 洛阳 471003；2.河南工程学院 机械工程学院，郑州 451191)

1 前言

盾构机是一种集机、电、液及控制等多学科技术为一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[1-2]。

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取决于主轴承的性能。在盾构机掘进工作中，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[2-3]。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，得到了一些有意义的理论结果。由于在多列滚子轴承中每一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 盾构机主轴承三维实体模型

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Fa沿z轴正方向，主要作用在第1排滚子上；径向力Fr沿x轴正方向，主要作用在第3排滚子上；倾覆力矩M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[5]。为了简化计算，把M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Fa1与Fa2，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，一般取偏心距e为1.0 m，对应的偏心轴向力的大小约为Fa1=Fa2。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Fa和偏心轴向力Fa1与Fa2，第3排滚子主要承受径向力Fr。

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1 r/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 ℃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一些局部波动，但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，并在一定的范围内波动(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。

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Ts随轴向载荷的变化如图6所示，稳态转矩Tste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。

图6 启动转矩随轴向载荷变化规律

图7 稳态转矩随轴向载荷变化规律

图8所示为Ts随倾覆力矩的变化，图9所示为Tste随倾覆力矩的变化。由图可知，随着倾覆力矩的增大，Ts和Tste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。

图8 启动转矩随倾覆力矩变化图

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一起，是非独立的变量。在Origin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

Ts=4 563.008 7+2.122 8M+4.045 6Fa；

(1)

Tste=915.309+1.682 8M+3.430 2Fa。

(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合。根据(2)式求得稳态转矩的拟合曲线如图7和图9所示。拟合曲线和试验曲线的变化趋势比较吻合。

4 结论

分析盾构机主轴承受力情况，由启动性能试验得出以下结论。

(1)随着轴向载荷的增加，轴承启动转矩和稳态转矩线性增大。

(2)随着倾覆力矩的增加，轴承启动转矩和稳态转矩增大。当倾覆力矩较小时，曲线呈非线性变化；当倾覆力矩大于1 000 kN·m时，随着倾覆力矩的增大转矩线性增大。