一种盾构机主轴承径向滚子承载状态评价方法与流程

本发明属于轴承性能测试领域，具体涉及一种盾构机主驱动轴承径向滚子承载状态评价方法。

背景技术：

1、盾构机主轴承作为盾构掘进机中最精密的部件，在工作中需要承受巨大的轴向力、径向力、扭矩以及倾覆力矩。在盾构机作业过程中，若主轴承部件发生严重的扭曲变形或者磨损，将会极易导致主轴承失效，而失效后必须更换主轴承才能保证盾构机的继续工作，这费时费力并且会严重延误工期。因此，必须对盾构机主轴承的承载状态进行诊断与评价，保证其在不同工况条件下下施工作业期间的安全可靠。

2、盾构机主轴承主要设计由三排圆柱滚子轴承构成，其中的径向圆柱滚子轴承主要承受径向力和倾覆力矩。由于盾构机轴承承载高，尺寸大，滚子数目较多，转速较低，径向圆柱滚子轴承工作受载时，其承受的径向力主要由内部极少数的径向滚子承受，大多径向滚子为低载甚至空载。因此有必要对径向滚子的接触变形进行监测与诊断评价，以防止个别滚子由于承受过高的载荷而发生变形和损坏，从而影响整个盾构机轴承的工作，同时这也有助于在轴承设计中避免滚子应力过度集中。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有的盾构机主轴承评估方法匮乏的现状，建立一套针对盾构机主轴承径向滚子承载状态的评估方法。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种盾构机主轴承径向滚子承载状态评价方法，该方法包括以下步骤：

3、步骤1：根据盾构机主轴承的径向滚子的凸度情况，确定滚子凸度间隙；将单个滚子划分为k个切片，并用序号λ标记每个切片序号，根据主轴承滚子的形式设定每个切片的凸度间隙代号为cλ；

4、步骤2：设定盾构机主轴承受到倾覆力矩后的倾斜角度为θ，设定滚子方位角代号为ψj，其中j为滚子序号；确定在第j滚子的λ切片处，滚子-滚道总的变形δλj；

5、步骤3：根据载荷-变形关系，确定轴承每个滚子切片的单位长度受载qλj以及每个滚子的受载大小qj：

6、步骤4：建立静力平衡方程；轴承本身要满足静力平衡方程，即轴承每个滚子的载荷矢量和与径向载荷达到静力平衡，进而得到每个滚子的载荷；静力平衡方程如下：

7、

8、式子中：fr为盾构机主轴承受到的径向力，τj为切应力系数，z为轴承滚子总数目；

9、步骤5：建立倾覆力矩平衡方程；对于已知作用在盾构机主轴承的倾覆力矩载荷m，建立方程为：

10、

11、式子中，ej为滚子j上的偏心距；

12、步骤6：建立径向位移关系方程；根据径向滚子轴承在每一个滚子位置角处的径向位移之和减去径向游隙就等于该位置内、外滚道的最大接触变形之和，建立方程为：

13、

14、式子中：δr为整个盾构机径向滚子轴承的径向位移，pd为该轴承的径向间隙；

15、步骤7：通过数值迭代法求解由静力平衡方程、倾覆力矩平衡方程、径向位移关系方程；首先通过赋予未知量δr、θ初值，代入位移关系方程后可求得δj、q、q，最后将这些值分别带入静力平衡方程、倾覆力矩平衡方程，设定e为阀值，若静力平衡方程以及倾覆力矩平衡方程的计算误差的绝对值均小于阀值e，那么判定迭代收敛，此时盾构机径向滚子轴承的径向位移δr、盾构机主轴承受到倾覆力矩后的倾斜角度θ、径向载荷所产生的滚子变形δj为方程组的解；

16、步骤8：通过θ、δj求解δλj，将同一序号j的径向位移数值求和；最终可以获得滚子轴承中滚子的接触形变δj；

17、步骤9：测量在受到径向力fr、倾覆力矩m实际情况下轴承中第j个滚子的径向位移记录δj′；

18、步骤10：通过对比第j个滚子接触形变δj和径向位移记录δj′的大小关系来评估该滚子的承载状态。

19、进一步地，步骤(1)中，如果主轴承滚子为全凸滚子，确定滚子凸度间隙公式为：

20、

21、式子中：cλ为选定切片的凸度间隙，λ为切片序号，k为切片数目。

22、如果主轴承滚子为半凸滚子，确定滚子凸度间隙公式为：

23、

24、式子中：cλ为选定切片的凸度间隙，λ为切片序号，k为切片数目，l为滚子长度，ls为无凸度处的滚子长度。

25、进一步地，步骤(2)中，滚子-滚道总的变形δλj计算公式如下：

26、

27、式子中：δj为径向载荷所产生的滚子变形，w＝l/k，为单个滚子切片的长度。

28、进一步地，步骤(3)中，轴承每个滚子切片的单位长度受载qλj以及每个滚子的受载大小qj的计算公式如下：

29、

30、

31、进一步地，步骤(5)中，偏心距ej计算公式为：

32、

33、进一步地，步骤(10)中，若0.8δj<δj′<1.2δj，则该滚子承载正常，没有损坏风险；若0.5δj<δj′<0.8δj或者1.2δj<δj′<1.5δj则判定该滚子承载状态异常，有损坏风险；若0<δj′<0.5δj或者1.5δj<δj′，则判定该滚子可能已经发生严重变形或损坏，建议检查修复。

34、本发明的有益效果：本发明针对缺乏对盾构机轴承内部滚子承载状态评估方法的现状，提出利用载荷-变形的力学关系，对盾构机滚子轴承内部的所有滚子的承载状态一一评估。并且，本发明评估方法可以更精准的检测出轴承内部所可能发生风险的具体位置，对轴承滚子的监测和诊断起到技术指导作用，也为盾构机轴承的工作和维护提供了保障。

技术特征：

1.一种盾构机主轴承径向滚子承载状态评价方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种盾构机主轴承径向滚子承载状态评价方法，其特征在于，步骤(1)中，如果主轴承滚子为全凸滚子，确定滚子凸度间隙公式为：

3.根据权利要求1所述的一种盾构机主轴承径向滚子承载状态评价方法，其特征在于，步骤(2)中，滚子-滚道总的变形δλj计算公式如下：

4.根据权利要求1所述的一种盾构机主轴承径向滚子承载状态评价方法，其特征在于，步骤(3)中，轴承每个滚子切片的单位长度受载qλj以及每个滚子的受载大小qj的计算公式如下：

5.根据权利要求1所述的一种盾构机主轴承径向滚子承载状态评价方法，其特征在于，步骤(5)中，偏心距ej计算公式为：

6.根据权利要求1所述的一种盾构机主轴承径向滚子承载状态评价方法，其特征在于，步骤(10)中，若0.8δj＜δj′＜1.2δj，则该滚子承载正常，没有损坏风险；若0.5δj＜δj′＜0.8δj或者1.2δj＜δj′＜1.5δj则判定该滚子承载状态异常，有损坏风险；若0＜δj′＜0.5δj或者1.5δj＜δj′，则判定该滚子可能已经发生严重变形或损坏，建议检查修复。

技术总结
本发明公开了一种盾构机主轴承径向滚子承载状态评价方法，本发明根据盾构机主轴承的径向滚子的凸度情况，确定滚子凸度间隙，建立静力平衡方程、倾覆力矩平衡方程和径向位移关系方程并求解，通过径向位移数值求和，获得滚子轴承中滚子的接触形变，测量在受到径向力、倾覆力矩实际情况下轴承中滚子的径向位移记录，通过对比滚子接触形变和径向位移记录的大小关系来评估该滚子的承载状态。本发明评估方法可以更精准的检测出轴承内部所可能发生风险的具体位置，对轴承滚子的监测和诊断起到技术指导作用，也为盾构机轴承的工作和维护提供了保障。

技术研发人员：陆水根,常振,李兴林,陈掌娥,李斌,赵丽雅,陈云,段小卫,张冬冬,陈可
受保护的技术使用者：杭州轴承试验研究中心有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12