本发明涉及轴承轴向载荷实时检测装置及盾构机。
背景技术：
转盘轴承是一种能够同时承受较大的轴向负荷、径向负荷和倾覆力矩等综合载荷，集支承、旋转、传动、固定等多种功能于一身的特殊结构的大型轴承。一般情况下，转盘轴承自身均带有安装孔、润滑油和密封装置，可以满足各种不同工况条件下工作的各类主机的不同需求；转盘轴承本身具有结构紧凑、引导旋转方便、安装简便和维护容易等特点，被广泛用于起重运输机械、采掘机、建筑工程机械、港口机械、风力发电、医疗设备、雷达和导弹发射架等大型回转装置上。
如授权公告为cn202348971u，授权公告日为2012.07.23的实用新型专利中公开的一种交叉滚子与四点球组合的高精度重载转盘轴承，该转盘轴承适用于盾构机的主轴轴承。装配时，转盘轴承的内圈固定在盾构机主体上的轴承底座上，外圈上固定连接刀盘，刀盘上安装刀具。在盾构机掘进过程中，外圈依靠外圈外周面上的齿在齿轮驱动下转动，带动刀盘和刀具转动，实现掘进目的。
现有技术中由于无法对盾构机的推进力实时检测，盾构机刀具损坏甚至刀盘损伤的问题时有发生。盾构机的轴向载荷较高（目前最高可达到8000吨以上），并且盾构机结构紧凑，无法采用现有技术中的压力测量手段进行推进力的测量。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种轴承轴向载荷实时检测装置，以实现对轴承轴向载荷的实时检测；本发明的目的还在于提供一种盾构机，以实现对盾构机推进力的实时检测，防止推进力过大对设备造成损坏。
本发明中轴承轴向载荷实时检测装置采用如下技术方案：
轴承轴向载荷实时检测装置，包括环形基体和环形活塞；
环形基体，用于同轴固定到待检测轴承的内圈和外圈的其中一个上；
环形基体上具有圈体对应部，圈体对应部用于与所述内圈和外圈的另一个的端面沿待检测轴承轴向间隔布置；
圈体对应部的端面上设有环形槽，形成活塞腔；
环形活塞，沿环形基体的轴向导向移动装配在活塞腔中；
活塞腔中装填有液体介质，环形基体上还设有与活塞腔相通的压力检测口，压力检测口用于与压力检测装置连接以检测液体介质在环形活塞的作用下产生的压强；
轴承轴向载荷实时检测装置还包括滚动支撑结构，滚动支撑结构包括滚动体，供所述内圈或外圈通过滚动体向圈体对应部传递轴向载荷。
本发明的有益效果是：环形基体能够方便地同轴固定到待检测轴承的内圈和外圈的其中一个上，滚动支撑结构滚动支撑在待检测轴承的内圈和外圈的另一个与活塞外端之间，在轴承承受轴向载荷时，轴向载荷通过活塞传递至活塞腔中，表现为活塞腔中液体介质的压强，通过压力检测装置可得到液体介质的压强，由液体介质的压强和活塞腔的对应受力面积，能推算得到轴承的轴向载荷，从而实现对轴承轴向载荷的实时检测；另外，滚动支撑结构的设置能够减少磨损，避免影响轴承的顺利转动，并且可防止活塞随内圈或外圈一起转动而影响轴向载荷检测结果。
作为一种优选的技术方案：所述环形活塞的横截面为t形结构，包括与“t”的顶部对应的塞体部分，塞体部分与活塞腔导向配合；
所述活塞腔的开口为缩口结构，用于与塞体部分挡止配合以避免环形活塞脱出活塞腔。
有益效果：采用上述技术方案能够避免环形活塞脱出活塞腔。
作为一种优选的技术方案：所述活塞腔由两个以上分体部分围成，用于在两个以上分体部分拆开后将环形活塞装配到环形基体上。
有益效果：采用上述技术方案便于实现环形活塞的装配，能够保证环形活塞的整体性。
作为一种优选的技术方案：所述活塞腔与环形活塞之间设有周向挡止结构，以防止环形活塞沿环形基体周向转动。
有益效果：采用上述技术方案，能够避免环形活塞沿环形基体周向转动而影响轴向载荷检测结果。
作为一种优选的技术方案：所述活塞腔中设有沿环形基体轴向延伸的键槽，环形活塞上设有插装在键槽内的键，键与键槽构成所述的周向挡止结构。
有益效果：采用上述技术方案，结构简单，加工方便。
作为一种优选的技术方案：所述滚动支撑结构为推力调心滚子轴承。
有益效果：采用上述技术方案便于滚动支撑结构的设置。
作为一种优选的技术方案：所述环形活塞上和与圈体对应部对应的内圈或外圈上设有轴承圈体安装槽，供推力调心滚子轴承对应端的圈体嵌入。
有益效果：采用上述技术方案，推力调心滚子轴承可承受一定的径向力，有利于提高待检测轴承的载荷承受能力。
作为一种优选的技术方案：所述环形基体上设有环形基体安装孔，环形基体安装孔用于与待检测轴承的相应内圈或外圈上的圈体连接孔对应。
有益效果：采用上述技术方案，在将轴承轴向载荷实时检测装置安装在轴承上时，环形基体安装孔供穿过圈体连接孔的紧固件穿入，以使环形基体与轴承的相应内圈或外圈同时实现固定，这样，在不改变现有轴承自身结构的基础上，便可实现轴承轴向载荷实时检测装置在轴承上的安装使用。
本发明的盾构机采用如下技术方案：
盾构机，包括轴承底座、转盘轴承和刀盘，转盘轴承固定在轴承底座上，刀盘通过转盘轴承转动设置；
还包括轴承轴向载荷实时检测装置，轴承轴向载荷实时检测装置包括环形基体和环形活塞；
环形基体，用于同轴固定到待检测轴承的内圈和外圈的其中一个上，或者由待检测轴承的内圈或外圈形成；
环形基体上具有圈体对应部，圈体对应部用于与所述内圈和外圈的另一个的端面沿待检测轴承轴向间隔布置；
圈体对应部的端面上设有环形槽，形成活塞腔；
环形活塞，沿环形基体的轴向导向移动装配在活塞腔中；
活塞腔中装填有液体介质，环形基体上还设有与活塞腔相通的压力检测口，压力检测口用于与压力检测装置连接以检测液体介质在环形活塞的作用下产生的压强；
轴承轴向载荷实时检测装置还包括滚动支撑结构，滚动支撑结构包括滚动体，供所述内圈或外圈通过滚动体向圈体对应部传递轴向载荷。
本发明的有益效果是：环形基体能够方便地同轴固定到待检测轴承的内圈和外圈的其中一个上，或者由待检测轴承的内圈或外圈形成，滚动支撑结构滚动支撑在待检测轴承的内圈和外圈的另一个与活塞外端之间，在轴承承受轴向载荷时，轴向载荷通过活塞传递至活塞腔中，表现为活塞腔中液体介质的压强，通过压力检测装置可得到液体介质的压强，由液体介质的压强和活塞腔的对应受力面积，能推算得到轴承的轴向载荷，从而实现对轴承轴向载荷的实时检测；另外，滚动支撑结构的设置能够减少磨损，避免影响转盘轴承的顺利转动，并且可防止活塞随内圈或外圈一起转动而影响轴向载荷检测结果。
作为一种优选的技术方案：所述环形活塞的横截面为t形结构，包括与“t”的顶部对应的塞体部分，塞体部分与活塞腔导向配合；
所述活塞腔的开口为缩口结构，用于与塞体部分挡止配合以避免环形活塞脱出活塞腔。
有益效果：采用上述技术方案能够避免环形活塞脱出活塞腔。
作为一种优选的技术方案：所述活塞腔由两个以上分体部分围成，用于在两个以上分体部分拆开后将环形活塞装配到环形基体上。
有益效果：采用上述技术方案便于实现环形活塞的装配，能够保证环形活塞的整体性。
作为一种优选的技术方案：所述活塞腔与环形活塞之间设有周向挡止结构，以防止环形活塞沿环形基体周向转动。
有益效果：采用上述技术方案，能够避免环形活塞沿环形基体周向转动而影响轴向载荷检测结果。
作为一种优选的技术方案：所述活塞腔中设有沿环形基体轴向延伸的键槽，环形活塞上设有插装在键槽内的键，键与键槽构成所述的周向挡止结构。
有益效果：采用上述技术方案，结构简单，加工方便。
作为一种优选的技术方案：所述滚动支撑结构为推力调心滚子轴承。
有益效果：采用上述技术方案便于滚动支撑结构的设置。
作为一种优选的技术方案：所述环形活塞上和与圈体对应部对应的内圈或外圈上设有轴承圈体安装槽，供推力调心滚子轴承对应端的圈体嵌入。
有益效果：采用上述技术方案，推力调心滚子轴承可承受一定的径向力，有利于提高转盘轴承的载荷承受能力。
作为一种优选的技术方案：所述环形基体上设有环形基体安装孔，环形基体安装孔用于与待检测轴承的相应内圈或外圈上的圈体连接孔对应。
有益效果：采用上述技术方案，在将轴承轴向载荷实时检测装置安装在轴承上时，环形基体安装孔供穿过圈体连接孔的紧固件穿入，以使环形基体与轴承的相应内圈或外圈同时实现固定，这样，在不改变现有轴承自身结构的基础上，便可实现轴承轴向载荷实时检测装置在轴承上的安装使用。
附图说明
图1为本发明中轴承轴向载荷实时检测装置的具体实施例一的结构示意图；
图2为本发明中轴承轴向载荷实时检测装置的具体实施例二的结构示意图。
图中：1、外圈；11、螺纹孔；12、齿；13、外圈轴承安装槽；2、内圈；21、内圈连接孔；3、环形基体；31、环形基体安装孔；32、活塞腔；33、压力检测口；34、环形基体安装孔；35、环形基体连接孔；36、圈体对应部；4、活塞；41、活塞轴承安装槽；5、推力调心滚子轴承；6、球面滚子。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的具体实施方式中可能出现的术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，可能出现的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，可能出现的语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“设有”应做广义理解，例如，“设有”的对象可以是本体的一部分，也可以是与本体分体布置并连接在本体上，该连接可以是可拆连接，也可以是不可拆连接。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
本发明中轴承轴向载荷实时检测装置的具体实施例一，如图1所示，本实施例中的待检测轴承为盾构机的转盘轴承，具体的为三排滚柱式转盘轴承。转盘轴承包括内圈2和外圈1，其中外圈1用于与盾构机的刀盘连接，内圈2用于与盾构机的轴承底座连接。转盘轴承工作时，外圈1上设置的齿12与齿轮啮合，通过齿轮驱动外圈1旋转。
轴承轴向载荷实时检测装置包括环形基体3和环形活塞4，其中，环形基体3的内径尺寸与内圈2的内径尺寸相同，环形基体3朝向外圈1的一端端面上设有环形槽，环形槽构成环形基体3的活塞腔32，活塞腔32与转盘轴承的轴线重合，环形活塞4导向移动装配在活塞腔32内。活塞腔32内在环形活塞4背向环形活塞4外端的一侧装填有液压油作为液体介质。环形基体3上设有与活塞腔32连通的压力检测口33，压力传感器通过压力检测口33与活塞腔32相连通，以检测液压油的压强。上述压力传感器即为本实施例中的压力测量装置，在其他实施例中，压力测量装置还可为压力表。环形基体3上设有环形槽的部分作为圈体对应部36，圈体对应部36与外圈1沿转盘轴承轴向间隔布置。
转盘轴承的外圈1上设有螺纹孔11，用于与盾构机的刀盘连接；转盘轴承的内圈2上设有作为圈体连接孔的内圈连接孔21，用于与盾构机的轴承底座连接；环形基体3上设有与内圈连接孔21对应的环形基体安装孔31。环形活塞4靠近外圈1的端面上设有活塞轴承安装槽41，外圈1靠近环形活塞4的端面上设有外圈轴承安装槽13，且活塞轴承安装槽41与外圈轴承安装槽13相对设置，并在两轴承安装槽内设有支撑在环形活塞4外端和外圈1的端面之间的推力调心滚子轴承5，推力调心滚子轴承5形成滚动支撑结构，包括滚动体，供所述内圈或外圈通过滚动体向圈体对应部36传递轴向载荷。另外，在环形活塞4上还加工有沿轴向延伸的键槽（图中未显示），活塞腔32内加工有与键槽配合的键（图中未显示），环形活塞4与活塞腔32通过键槽与键的配合进一步防止环形活塞4跟随外圈1旋转，键与键槽之间应具有一定间隙，以避免影响环形活塞4沿轴向移动，键与键槽作为本实施例的周向挡止结构。
在进行盾构机装配时，推力调心滚子轴承5装配在活塞轴承安装槽41与外圈轴承安装槽13内；环形基体3通过穿过内圈连接孔21、环形基体安装孔31的紧固件与轴承底座固定连接；外圈1与刀盘通过穿过螺纹孔11的螺钉固定连接。需要说明的是，本实施例中，内圈连接孔21的位置与未设置轴承轴向载荷实时检测装置时的位置相同，这样可在不改变内圈2及轴承底座结构的情况下，将轴承轴向载荷实时检测装置安装在内圈2与轴承底座之间。
在盾构机进行掘进作业时，盾构机推进过程中，推进力的反作用力传导至转盘轴承上，并以轴向载荷的形式表现出来。轴承轴向载荷实时检测装置安装在转盘轴承与轴承底座之间，承受转盘轴承的轴向载荷，将推进力表现在活塞腔当中，使活塞腔中的液压油产生压力，通过压力传感器测得液压油的压强，然后通过以下公式，计算得到当前的推进力。
f=ηps
上述公式中的f为盾构机的推进力；η为负荷率；p为液压油的压强；s为环形基体3承受活塞腔32内液压油的轴向作用力的受力面积。不同的轴承轴向载荷实时检测装置的η值的大小可根据实验测得，具体的，将轴承轴向载荷实时检测装置和转盘轴承组装好后，安装在加载装置上，通过加载装置对转盘轴承加载特定的轴向载荷f，同时通过压力传感器测得活塞腔32内液压油的压强p，活塞3的受力面积s可根据活塞腔32尺寸计算得到，由f、p、s三个数据计算得到对应的η值；多次对转盘轴承加载不同或相同的轴向载荷，并计算得到对应的η值，最终取多个η值的平均值作为该轴承轴向载荷实时检测装置和对应转盘轴承组成的轴承组件的η值。在转盘轴承工作时，s为已知，η为已知，只需通过压力传感器测得p值，便可对应得到f值，即得到盾构机的推进力。
以直径为7米的转盘轴承为例，环形基体3承受活塞腔32内液压油的轴向作用力的受力面积可设计到约9平米，在转盘轴承承载8000吨的轴向载荷时，负荷率取0.8，其活塞腔32内的压强约为10mpa，属低压压强，并且活塞腔32内的压力是在转盘轴承的滚道产生变形后的分支压力，因此，活塞腔32内不会达到最大轴向载荷，对密封要求不是很高，不必担心环形基体3内漏、外漏等问题发生。
转盘轴承的轴向载荷由原内圈2与外圈1之间的滚子承担，变为本发明的内圈2与外圈1之间的滚子以及设置在环形活塞4与外圈1之间的推力调心滚子轴承5的滚子共同承担，可增加转盘轴承的使用寿命。优选地，转盘轴承应具有抗冲击载荷能力，防止环形基体3内漏造成对转盘轴承的冲击力。
通过此轴承轴向载荷实时检测装置可实时在线检测盾构机作业时的推进力，解决了盾构机推进过程中由于地质问题造成的推进力过大对设备的损坏，起到防御、预警的作用。
此装置在不改变原有转盘轴承的安装尺寸与结构的同时，只增加了转盘轴承的安装高度，可满足盾构机的结构要求。本实施例中，环形基体3的轴向尺寸设为90mm，以在满足环形基体3结构强度与使用要求同时，尽量降低环形基体3对转盘轴承安装高度的影响。当然，在其他实施例中，环形基体的轴向尺寸可根据自身结构强度和使用要求设为其他值。
本发明中轴承轴向载荷实时检测装置的具体实施例二，如图2所示，本实施例中的轴承轴向载荷实时检测装置与上述具体实施例一的区别之处在于：环形活塞4与外圈1之间设置有球面滚子6和保持器（图中未显示），球面滚子6沿活塞周向均布有多个，并通过保持器使各球面滚子6保持在设定位置，球面滚子6和保持器一起代替上述具体实施例一中的推力调心滚子轴承作为滚动支撑结构。保持器即为轴承上用于保持滚子相对位置的保持架。在其他实施中，也可以省去保持器，直接将球面滚子6嵌装在环形基体上。
环形基体3上设有与内圈连接孔21对应的环形基体安装孔34，且环形基体安装孔34为螺纹孔，内圈2与环形基体3通过穿过活塞安装孔并与环形基体安装孔34螺纹连接的螺纹紧固件固定连接。环形基体3上还设有环形基体连接孔35，且环形基体连接孔35沿环形基体3周向设有两圈，环形基体3通过穿过环形基体连接孔35的紧固件与轴承底座固定连接，此时，盾构机的轴承底座结构需要与环形基体3相匹配，以实现环形基体3与轴承底座的固定连接。
上述实施例一中，待检测轴承为三排滚柱式转盘轴承，在其他实施例中，轴承轴向载荷实时检测装置也可用于其他类型轴承的轴向载荷的实时检测，例如：用于推力调心滚子轴承5的轴向载荷的实时检测，此时环形基体3与推力调心滚子轴承5的内圈2或外圈1固定，滚动支撑结构滚动支撑在活塞4外端和推力调心滚子轴承5与圈体对应部36间隔布置的内圈2端面或外圈1端面之间；或者，用于背景技术中的专利文件中公开的转盘轴承的轴向载荷的实时检测。
上述实施例1中的键与键槽作为周向挡止结构，在其他实施例中，活塞腔32中可设置环形基体3挡块，同时在活塞4外壁上设置活塞4挡块，其中，环形基体3挡块或活塞4挡块沿周向间隔设置至少两个，以使环形基体3挡块与活塞4挡块沿周向挡止配合，从而防止活塞4沿环形基体3周向转动，此时，活塞4挡块和环形基体3挡块作为周向挡止结构。
上述实施例1中的活塞4的外端伸出活塞腔32外部设置，在其他实施例中，活塞4的外端可位于活塞腔32中，且推力调心滚子轴承5伸入活塞腔32中并支撑在活塞4的外端的端面与外圈1的端面之间。
上述实施例1中的环形基体3上仅设置一个压力检测口33，在其他实施例中，也可在环形基体3上沿周向设置多个压力检测口33，由各压力检测口33处检测到多个压强值，多个压强值的平均值作为最终的压强值，或者取多个压强值的最大值作为最终的压强值，或者综合分析各压强值得到最终的压强值。
上述实施例1中的活塞腔32由截面为倒t形的环形槽构成，活塞4的截面也为倒t形，此时活塞腔32应至少由两部分组成以供活塞4插入，在进行活塞4的安装时，先将活塞4导向移动装配在组成活塞腔32的其中一部分上，再将组成活塞腔32的其他部分固定组成活塞腔32；在其他实施例中，活塞腔32也可为截面为矩形的环形槽构成，此时活塞4为与活塞腔32适配的截面为矩形的活塞4，此时活塞腔32可以设置在一个整体结构上，在进行活塞4的安装时，活塞4直接从环形槽的槽口处装入即可。
本发明中盾构机的具体实施例，盾构机包括轴承底座、转盘轴承和刀盘，刀盘安装在转盘轴承上，所述转盘轴承与轴承底座之间设有轴承轴向载荷实时检测装置，本实施例中的轴承轴向载荷实时检测装置与上述轴承轴向载荷实时检测装置的任意一个实施例中所述的轴承轴向载荷实时检测装置的结构相同，不再赘述。