一种盾构主轴承温度场测试系统的制作方法

本实用新型涉及tbm岩石掘进机掘进技术领域，尤其涉及一种盾构主轴承温度场测试系统。

背景技术：

目前，我国的许多大城市都在进行地铁的建设工作，盾构施工法作为一种安全高效的隧道挖掘技术在地铁的建设工作中得到广泛的应用。盾构施工是通过盾构机在地面以下挖掘隧道。盾构机是一种集高科技、高标准、高质量为一体的大型工程机械，目前我国盾构机的关键零部件主要依赖进口，这样就大大提高了国产盾构机的成本，在盾构施工的过程中盾构机关键零部件的更换也十分不方便，并且对盾构机关键零部件的维修工作带来很大的制约，从而对盾构施工的工期有着很大的影响。国内关于盾构机关键部件标准的制定还有待完善，为了推动盾构机关键零部件国产化，促进盾构机制造业的转型升级，制定盾构机关键零部件的行业标准十分迫切，而建设“工业性试验”平台能够用于测试盾构机关键零部件的性能，为盾构机关键零部件的设计与制造采集数据。

盾构主轴承是盾构机刀盘驱动系统中核心部件，起着支撑盾构刀盘并使之回转破岩的作用，主轴承运行时安全性、稳定性是保证隧道掘进施工安全推进的前提。由此可见，主轴承的使用寿命是直接影响到盾构机的使用周期。而在盾构机掘进作业过程中，主轴承温升过高/承载压力过大日益凸显出来。主轴承温度分布状态对轴承的性能影响很大，它会影响主轴承的材料塑形增加，润滑油脂粘度下降，降低主轴承的疲劳寿命。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足之处，本实用新型的目的在于提供一种盾构主轴承温度场测试系统，可通过加载系统的轴向、径向、倾覆力矩加载装置可以单独对主轴承施加载荷，或采用控制变量法进行分析，在固定其中两个力或力矩的前提下改变另一个力或力矩，以研究在单作用载荷或多种载荷耦合作用下主轴承温度场的分布特性。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：

一种盾构主轴承温度场测试系统，包括待测主轴承、主轴承固定座、加载系统、驱动系统、基座、加载盘、润滑系统和控制柜，所述待测主轴承内部具有内齿圈，所述内齿圈上呈圆周连续分布有内齿，所述主轴承固定座、驱动系统、加载系统、润滑系统安装于基座上，所述主轴承固定座中心贯穿开有通孔，所述主轴承固定座具有与通孔相连通的主轴承安装腔，所述待测主轴承转动安装于主轴承固定座的主轴承安装腔中；所述驱动系统、加载系统、润滑系统分别与控制柜电连接，所述驱动系统用于驱动待测主轴承转动，所述加载系统包括轴向加载装置、径向加载装置和倾覆力矩加载系统，所述待测主轴承上平行对应设有加载盘，所述加载盘中心与待测主轴承中心对应，所述轴向加载装置用于轴向作用于加载盘以实现对待测主轴承的轴向加载，所述径向加载装置用于径向作用于加载盘以实现对待测主轴承的径向加载，所述倾覆力矩加载系统由两个倾覆力矩加载装置组成，两个倾覆力矩加载装置对应设于加载盘两侧，所述倾覆力矩加载系统的两个倾覆力矩加载装置分别对称作用于加载盘两侧以实现对待测主轴承的倾覆力矩加载；所述润滑系统包括注油泵和与注油泵相连接的注油管，所述注油泵与控制柜电连接，所述主轴承固定座的主轴承安装腔呈圆周均匀分布设有轴向槽，所述轴向槽中安装有温度传感器，所有温度传感器均与控制柜电连接，所述待测主轴承前后两侧分别安装有密封前盖板和密封后盖板，所述密封后盖板具有伸入待测主轴承的内齿圈中的圆筒，所述圆筒上安装有与注油管相连通的润滑油喷嘴。

为了更好地实现本实用新型，所述驱动系统包括驱动支承座、电机和减速机，所述电机与控制柜电连接，所述驱动支承座固定安装于基座上，所述电机、减速机固定安装于驱动支承座顶部，所述电机与减速机对应动力连接，所述减速机的动力轴通过联轴器动力连接有驱动轴，所述驱动支承座顶部固定有轴承座，所述驱动轴转动安装于轴承座上，所述驱动轴穿过圆筒，所述圆筒内部设有与驱动轴相配合的轴承，所述驱动轴端部固定有驱动齿轮，所述驱动齿轮与待测主轴承的内齿圈的内齿齿轮啮合。

作为优选，所述润滑油喷嘴的数量为四个，四个润滑油喷嘴均匀安装于圆筒上，所述润滑油喷嘴与待测主轴承的内齿圈的内齿齿轮相对应。

作为优选，所述轴向加载装置包括油缸支承架a、轴向加载油缸、压力传感器a、对中加载装置和球状加载头，所述油缸支承架a固定于基座上，所述轴向加载油缸固定安装于油缸支承架a顶部，所述轴向加载油缸与控制柜电连接，所述轴向加载油缸具有轴向加载杆，所述轴向加载油缸的轴向加载杆上安装有安装法兰a，所述安装法兰a上安装有压力传感器a，所述压力传感器a与控制柜电连接，所述球状加载头对应安装于压力传感器a上；所述加载盘中心安装有轴承固定座，所述轴承固定座内部中心安装有圆锥滚子轴承，所述对中加载装置与轴承固定座对应安装，所述对中加载装置与圆锥滚子轴承内圈相配合，所述对中加载装置具有与球状加载头相配合的半球孔。

作为优选，所述径向加载装置包括油缸支架、径向加载油缸、压力传感器b和径向加载头，所述油缸支架固定于基座上，所述径向加载油缸固定安装于油缸支架上，所述径向加载油缸与控制柜电连接，所述径向加载油缸具有径向加载杆，所述径向加载油缸的径向加载杆上安装有安装法兰b，所述安装法兰b上安装有压力传感器b，所述压力传感器b与控制柜电连接，所述径向加载头对应安装于压力传感器b上；所述加载盘外边缘沿圆周设有径向加载滚道，所述径向加载头上设有与径向加载滚道相配合的径向加载滚子。

作为优选，所述倾覆力矩加载装置包括油缸支承架b、倾覆力矩加载油缸、压力传感器c和倾覆力矩加载头，所述油缸支承架b固定于基座上，所述倾覆力矩加载油缸固定安装于油缸支承架b顶部，所述倾覆力矩加载油缸与控制柜电连接，所述倾覆力矩加载油缸具有力矩加载杆，所述倾覆力矩加载油缸的力矩加载杆上安装有安装法兰c，所述安装法兰c上安装有压力传感器c，所述压力传感器c与控制柜电连接，所述倾覆力矩加载头对应安装于压力传感器c上；所述加载盘靠近外边缘呈圆周设有力矩加载滚道，所述倾覆力矩加载头上设有与力矩加载滚道相配合的力矩加载滚子。

作为优选，所述安装法兰a螺纹安装于轴向加载油缸的轴向加载杆上并通过锁紧螺母a锁紧；所述球状加载头螺纹安装于压力传感器a上并通过锁紧螺母b锁紧；所述对中加载装置末端通过放松脱螺母连接固定于轴承固定座上。

作为优选，所述安装法兰b螺纹安装于径向加载油缸的径向加载杆上并通过锁紧螺母c锁紧；所述径向加载头螺纹连接于压力传感器b上并通过锁紧螺母d锁紧。

作为优选，所述安装法兰c螺纹安装于倾覆力矩加载油缸的力矩加载杆上并通过锁紧螺母e锁紧；所述倾覆力矩加载头螺纹连接于压力传感器c上并通过锁紧螺母f锁紧。

本实用新型较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本实用新型可通过加载系统的轴向、径向、倾覆力矩加载装置可以单独对主轴承施加载荷，或采用控制变量法进行分析，在固定其中两个力或力矩的前提下改变另一个力或力矩，可以研究在单作用载荷或多种载荷耦合作用下主轴承温度场的分布特性。

(2)本实用新型可通过控制柜控制主轴承的转速，润滑系统润滑油黏度以及流量，进而实现在不同转速、良好润滑、润滑失效、无润滑状态下主轴承温度场的分布特性以及影响关系。

(3)本实用新型利用预埋在主轴承固定座圆周面轴向槽内的温度传感器，测量盾构主轴承在不同转速、载荷、润滑油的温度分布。

(4)本实用新型通过基座上的安装槽与油缸支架上预留的u形槽能够调整倾覆加载装置与加载盘之间的位置，进而实现调整不同位置的倾覆力矩对主轴承施加载荷的效果，也即达到了模拟多种特殊工况的效果。

(5)本实用新型加载系统的轴向、径向、倾覆加载装置可以单独对主轴承施加载荷，以研究在单作用载荷下主轴承温度场特性，从而也为后续研究多种载荷耦合作用下对主轴承温度场的影响关系预留条件。

(6)本实用新型对中加载装置与安装在轴承固定座中的圆锥滚子轴承的内圈相配合，实现施加轴向载荷的对中性，通过油缸的施力实现轴向载荷的加载。倾覆加载头与加载盘上所开设的滚道接触，通过油缸的施力实现倾覆载荷的加载；径向加载头的滚子与加载盘的圆周方向的滚道相接触，实现径向力的加载。

(7)本实用新型采用温度传感器，具有体积小、无源多场、一线多点式分布测量等特点，在主轴承在不同转速和不同载荷下工作时，实现对主轴承温度分布测量，为刀盘驱动系统安全经济运行提供了重要保障，为盾构主轴承的结构优化设计提供准确的科学数据。

(8)本实用新型通过在主轴承固定座圆周方向均匀开设轴向槽，用于预埋温度传感器以获取较为全面的盾构主轴承温度场分布规律；可以有效测定并获取盾构主轴承在不同工况下，载荷、转速、润滑油流变特性对主轴承温度分布的影响，对热应力耦合下的主轴承疲劳寿命的研究提供实验数据，本实用新型具有结构简单、方便操作等特点。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为主轴承固定座的结构示意图；

图3为主轴承固定座装配好待测主轴承的结构示意图；

图4为本实施例驱动系统的结构示意图；

图5为图1除开润滑系统、控制柜的结构示意图；

图6为本实施例径向加载装置与加载盘之间的装配示意图；

图7为本实施例待测主轴承在主轴承固定座上的装配示意图；

图8为本实施例密封前盖板的结构示意图；

图9为本实施例密封后盖板的结构示意图；

图10为本实施例轴向加载装置的结构示意图；

图11为本实施例轴承固定座与圆锥滚子轴承之间的装配示意图；

图12为本实施例径向加载装置的结构示意图；

图13为本实施例倾覆力矩加载装置的结构示意图。

其中，附图中的附图标记所对应的名称为：

1－待测主轴承，2－主轴承固定座，21－通孔，22－主轴承安装腔，23－轴向槽，3－轴向加载装置,31－轴向加载油缸,32－锁紧螺母a,33－安装法兰a,34－压力传感器a,35－锁紧螺母b,36－球状加载头,37－对中加载装置,38－轴承固定座,39－放松脱螺母,310－油缸支承架a,311－圆锥滚子轴承，4－驱动系统,41－电机,42－减速机,43－联轴器,44－驱动轴,45－轴承座,46－驱动齿轮,47－驱动支承座,5－基座，6－加载盘，7－润滑系统，8－控制柜，9－密封前盖板，10－密封后盖板，101－圆筒，102－润滑油喷嘴，11－径向加载装置,111－径向加载油缸,112－锁紧螺母c,113－安装法兰b,114－压力传感器b,115－锁紧螺母d,116－径向加载头,117－油缸支架，12－倾覆力矩加载装置，121－倾覆力矩加载油缸,122－油缸支承架b,123－锁紧螺母e,124－安装法兰c,125－压力传感器c,126－锁紧螺母f,127－倾覆力矩加载头。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步地详细说明：

实施例

如图1～图13所示，一种盾构主轴承温度场测试系统，包括待测主轴承1、主轴承固定座2、加载系统、驱动系统4、基座5、加载盘6、润滑系统7和控制柜8，待测主轴承1内部具有内齿圈，内齿圈上呈圆周连续分布有内齿，主轴承固定座2、驱动系统4、加载系统、润滑系统7安装于基座5上，主轴承固定座2中心贯穿开有通孔21，主轴承固定座2具有与通孔21相连通的主轴承安装腔22，待测主轴承1转动安装于主轴承固定座2的主轴承安装腔22中。驱动系统4、加载系统、润滑系统7分别与控制柜8电连接，驱动系统4用于驱动待测主轴承1转动，加载系统包括轴向加载装置3、径向加载装置11和倾覆力矩加载系统，待测主轴承1上平行对应设有加载盘6，加载盘6中心与待测主轴承1中心对应，轴向加载装置3用于轴向作用于加载盘6以实现对待测主轴承1的轴向加载，径向加载装置11用于径向作用于加载盘6以实现对待测主轴承1的径向加载，倾覆力矩加载系统由两个倾覆力矩加载装置12组成，两个倾覆力矩加载装置12对应设于加载盘6两侧，倾覆力矩加载系统的两个倾覆力矩加载装置12分别对称作用于加载盘6两侧以实现对待测主轴承1的倾覆力矩加载。润滑系统7包括注油泵和与注油泵相连接的注油管，注油泵与控制柜8电连接，主轴承固定座2的主轴承安装腔22呈圆周均匀分布设有轴向槽23(参见图2，主轴承安装腔22为圆形腔体，所有轴向槽23沿着主轴承安装腔22圆周均匀设置)，每个轴向槽23中安装有一个温度传感器，每个温度传感器即可测量出一个待测主轴承1对应位置的温度，当然也可以测量出主轴承固定座2对应待测主轴承1相应位置的温度，所有温度传感器均与控制柜8电连接。如图7所示，待测主轴承1前后两侧分别安装有密封前盖板9和密封后盖板10(密封后盖板10靠近主轴承固定座2一侧，密封前盖板9位于远离主轴承固定座2一侧)，密封后盖板10具有伸入待测主轴承1的内齿圈中的圆筒101，圆筒101上安装有与注油管相连通的润滑油喷嘴102。如图9所示，本实施例优选的润滑油喷嘴102的数量为四个，四个润滑油喷嘴102均匀安装于圆筒101上，润滑油喷嘴102与待测主轴承1的内齿圈的内齿齿轮相对应。

本实施例润滑系统通过使用不同型号的润滑油，控制润滑油液的粘度、流量，对主轴承的外圈、内圈、主推力滚子、径向滚子、辅助推力滚子进行润滑，并形成润滑循环回路，模拟主轴承实际润滑系统。本实施例利用预埋在主轴承固定座圆周面轴向槽内的温度传感器，测量盾构主轴承在不同转速、载荷、润滑油的温度分布。

如图4所示，驱动系统4包括驱动支承座47、电机41和减速机42，电机41与控制柜8电连接，驱动支承座47固定安装于基座5上，电机41、减速机42固定安装于驱动支承座47顶部，电机41与减速机42对应动力连接，减速机42的动力轴通过联轴器43动力连接有驱动轴44，驱动支承座47顶部固定有轴承座45，驱动轴44转动安装于轴承座45上，驱动轴44穿过圆筒101，圆筒101内部设有与驱动轴44相配合的轴承，驱动轴44端部固定有驱动齿轮46，驱动齿轮46与待测主轴承1的内齿圈的内齿齿轮啮合。

如图10所示，轴向加载装置3包括油缸支承架a310、轴向加载油缸31、压力传感器a34、对中加载装置37和球状加载头36，油缸支承架a310固定于基座5上，轴向加载油缸31固定安装于油缸支承架a310顶部，轴向加载油缸31与控制柜8电连接，轴向加载油缸31具有轴向加载杆，轴向加载油缸31的轴向加载杆上安装有安装法兰a33，安装法兰a33上安装有压力传感器a34，压力传感器a34与控制柜8电连接，球状加载头36对应安装于压力传感器a34上。加载盘6中心安装有轴承固定座38，轴承固定座38内部中心安装有圆锥滚子轴承311，对中加载装置37与轴承固定座38对应安装，对中加载装置37与圆锥滚子轴承311内圈相配合，对中加载装置37具有与球状加载头36相配合的半球孔。安装法兰a33螺纹安装于轴向加载油缸31的轴向加载杆上并通过锁紧螺母a32锁紧。球状加载头36螺纹安装于压力传感器a34上并通过锁紧螺母b35锁紧。如图11所示，对中加载装置37末端通过放松脱螺母39连接固定于轴承固定座38上。

如图12所示，径向加载装置11包括油缸支架117、径向加载油缸111、压力传感器b114和径向加载头116，油缸支架117固定于基座5上，如图6所示，径向加载油缸111固定安装于油缸支架117上，径向加载油缸111与控制柜8电连接，径向加载油缸111具有径向加载杆，径向加载油缸111的径向加载杆上安装有安装法兰b113，安装法兰b113上安装有压力传感器b114，压力传感器b114与控制柜8电连接，径向加载头116对应安装于压力传感器b114上。加载盘6外边缘沿圆周设有径向加载滚道，径向加载头116上设有与径向加载滚道相配合的径向加载滚子。安装法兰b113螺纹安装于径向加载油缸111的径向加载杆上并通过锁紧螺母c112锁紧。径向加载头116螺纹连接于压力传感器b114上并通过锁紧螺母d115锁紧。

如图13所示，倾覆力矩加载装置12包括油缸支承架b122、倾覆力矩加载油缸121、压力传感器c125和倾覆力矩加载头127，油缸支承架b122固定于基座5上，倾覆力矩加载油缸121固定安装于油缸支承架b122顶部，倾覆力矩加载油缸121与控制柜8电连接，倾覆力矩加载油缸121具有力矩加载杆，倾覆力矩加载油缸121的力矩加载杆上安装有安装法兰c124，安装法兰c124上安装有压力传感器c125，压力传感器c125与控制柜8电连接，倾覆力矩加载头127对应安装于压力传感器c125上。加载盘6靠近外边缘呈圆周设有力矩加载滚道，倾覆力矩加载头127上设有与力矩加载滚道相配合的力矩加载滚子。安装法兰c124螺纹安装于倾覆力矩加载油缸121的力矩加载杆上并通过锁紧螺母e123锁紧。倾覆力矩加载头127螺纹连接于压力传感器c125上并通过锁紧螺母f126锁紧。

一种盾构主轴承温度场测试方法，其方法如下：

a、通过控制柜8启动驱动系统4，让驱动系统4驱动待测主轴承1转动。通过控制柜8控制润滑系统7的注油泵工作，注油泵经过注油管、润滑油喷嘴102向待测主轴承1的内齿圈喷出润滑油。

a1、待测主轴承1的横向加载单独进行：通过轴向加载装置3对待测主轴承1施加横向加载，控制柜8记录压力传感器a34反馈的横向加载反作用力。同时主轴承固定座2的主轴承安装腔22的所有温度传感器分别监测待测主轴承1的温度值并及时反馈至控制柜8，此时即可得到待测主轴承1在仅横向加载情况下的温度场数据。调节轴向加载装置3的推力并加至最大值，模拟待测主轴承1所承受推进的最大压力值，同时得到该情况下的温度场数据。本实施例可模拟实际施工中盾构刀盘最大推进力推挤工况，通过控制加载盘停止旋转，然后将轴向液压缸推力加至最大值，模拟加载盘承受的最大反推力载荷，即推进系统的最大压力值，而且该载荷是均匀分布于加载盘表面作用方向为轴向，实现最大轴向推力工况的模拟。

a2、待测主轴承1的径向加载单独进行：通过径向加载装置11对待测主轴承1施加径向加载，控制柜8记录压力传感器b114反馈的径向加载反作用力。同时主轴承固定座2的主轴承安装腔22的所有温度传感器分别监测待测主轴承1的温度值并及时反馈至控制柜8，此时即可得到待测主轴承1在仅径向加载情况下的温度场数据。调节径向加载装置11的推力并加至最大值，模拟待测主轴承1所承受径向的最大压力值，同时得到该情况下的温度场数据。

a3、待测主轴承1的倾覆力矩加载单独进行：通过倾覆力矩加载装置12对待测主轴承1施加倾覆力矩加载，控制柜8记录压力传感器c125反馈的倾覆力矩加载反作用力。同时主轴承固定座2的主轴承安装腔22的所有温度传感器分别监测待测主轴承1的温度值并及时反馈至控制柜8，此时即可得到待测主轴承1在仅倾覆力矩加载情况下的温度场数据。调节倾覆力矩加载装置12的推力并加至最大值，模拟待测主轴承1所承受的最大倾覆力矩值，同时得到该情况下的温度场数据。本实施例可以模拟刀盘三分之一堵转工况，此种工况为模拟硬岩掘进过程中，为模拟盾构进给速度过快或是前方切削面坍塌等因素造成岩土在刀盘前端面处产生堆积状况，控制加载盘停止旋转，调整倾覆力矩加载装置位置为加载盘半径三分之一的区域的位置，此时驱动齿轮的输出扭矩为最大额定扭矩，实现推扭组合工况模拟，本实用新型可以探究在不同工况下主轴承的温度场分布。

a4、待测主轴承1的横向加载、径向加载、倾覆力矩加载同步组合进行：通过轴向加载装置3对待测主轴承1施加横向加载，控制柜8记录压力传感器a34反馈的横向加载反作用力。通过径向加载装置11对待测主轴承1施加径向加载，控制柜8记录压力传感器b114反馈的径向加载反作用力。通过倾覆力矩加载装置12对待测主轴承1施加倾覆力矩加载，控制柜8记录压力传感器c125反馈的倾覆力矩加载反作用力。同时主轴承固定座2的主轴承安装腔22的所有温度传感器分别监测待测主轴承1的温度值并及时反馈至控制柜8，此时即可得到待测主轴承1在横向加载、径向加载、倾覆力矩加载共同作用下的温度场数据。

本实施例可通过加载系统的轴向、径向、倾覆力矩加载装置可以单独对主轴承施加载荷，或采用控制变量法进行分析，在固定其中两个力或力矩的前提下改变另一个力或力矩，以研究在单作用载荷或多种载荷耦合作用下主轴承的温度场分布特性。

本实施例可通过控制柜控制主轴承的转速，润滑系统润滑油黏度以及流量，进而实现在不同转速、良好润滑、润滑失效、无润滑状态下与主轴承温度场之间影响。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。