復雜工況下掘進機主驅動軸承性能試驗研究

李帥遠， 周建軍， 王承山， 楊延棟， 江益輝

（1.盾構及掘進技術國家重點實驗室，鄭州 450001；2.中鐵南方投資集團有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

《工程機械行業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃》中強調重點發(fā)展大直徑和超大直徑掘進機技術，解決盾構機等掘進機零部件供應鏈假設問題［1-2］。

主驅動軸承作為隧道掘進機的核心關鍵部件，其服役狀態(tài)及性能的好壞直接決定隧道掘進機的服役壽命。主驅動軸承帶動刀盤旋轉并承受巨大扭矩［3-4］。在施工中，大型掘進機主驅動軸承需滿足復雜工況下的高可靠性，而在服役過程中其承受大傾覆力矩、大扭矩及沖擊載荷等作用，易發(fā)生滾道大塑性變形和異常磨損、滾子開裂以及連接螺栓失效等故障。若主驅動軸承失效，則必須更換，隧道內主驅動軸承更換難度非常大，而且嚴重延誤工程工期［5-7］。

在隧道施工過程中，主驅動軸承要承受軸向力、徑向力和傾覆力矩的作用，受復雜地質條件的影響主驅動軸承受力比較復雜。靳東亮等［8］對以往大型掘進機主驅動軸承失效案例進行統計，并通過失效因素和模糊數學方法對主驅動軸承失效的風險因素進行評估。孫明帥［9］基于Adams 軟件分別建立盾構機主驅動軸承和主減速器的多體動力學模型，分析發(fā)生局部故障時系統的振動特性。蘇鵬程等［10］對盾構機主驅動軸承進行了強度有限元分析，研究了主驅動軸承的邊界條件、加載方式及載荷的等效計算方法。王艷波［11］分析了主驅動軸承失效形式，并結合蘭渝鐵路西秦嶺隧道探討了TBM（tunnel boring machine）施工中主驅動軸承的維護保養(yǎng)技術及主驅動軸承在施工中出現問題時的應對措施，為準確判斷主驅動軸承內部隱患提供指導。張濤等［12］對國產4.8 m 主驅動軸承在軸向載荷與傾覆力矩聯合作用產生的偏載荷下的安全性進行了研究，發(fā)現在偏載荷作用下主驅動軸承的失效容易發(fā)生在主推滾道和主推滾子上。

在盾構／風電轉盤軸承綜合性能試驗平臺上對掘進機主驅動軸承施加軸向載荷、徑向載荷、傾覆載荷，分析復雜工況下主驅動軸承性能。

1 軸承綜合性能試驗平臺

盾構／風電轉盤軸承綜合性能試驗平臺可全模擬盾構主驅動軸承的載荷工況，對試驗軸承施加徑向載荷、軸向載荷和傾覆力矩，以驗證軸承的工作性能。主驅動軸承綜合性能試驗平臺主要包括機械結構、加載系統、潤滑系統、數據采集與控制系統，如圖1 所示。

圖1 綜合性能試驗平臺

驅動組件由液壓電動機、驅動框架、聯軸器、減速機、扭矩傳感器等組成，通過末端小齒輪與轉盤軸承齒輪嚙合帶動軸承旋轉。驅動組件簡圖如圖2 所示。

圖2 驅動組件簡圖

基于比例液壓控制的集成油缸群組異向精密加載設計方法，實現軸承的超大傾覆力矩、超大載荷液壓加載。設計四組油缸完成軸承軸向力Fa、徑向力Fr和傾覆力矩M的加載（F1～F4），液壓油缸布局如圖3所示。

圖3 液壓油缸布局

2 軸承性能試驗方案

2.1 試驗軸承

試驗軸承選用兩套外圈尺寸為Φ4 800 mm 的三排圓柱滾子軸承，軸承套圈材料為42CrMo4，滾動體材料為GCr18Mo 和GCr15SiMn，試驗軸承如圖4 所示。兩套軸承“背靠背”安裝，其中一套作為主試軸承，另一套作為陪試軸承，以消除軸承旋轉副。

圖4 試驗軸承

2.2 試驗裝配方案

為滿足試驗軸承的測試需求，采用轉接盤實現主試軸承和陪試軸承之間“背靠背”安裝［13-14］，試驗軸承安裝如圖5 所示。

圖5 試驗軸承安裝

為滿足試驗軸承的測試需求，設計了一套試驗工裝，試驗工裝的總裝配如圖6 所示。安裝時，先將主轉接盤、主試軸承與驅動組件裝配好，再整體安裝至主軸承性能試驗架上；之后依次安裝中間轉接盤（左）、中間轉接盤（右）、陪試軸承與副轉接盤，以實現試驗軸承的正常性能測試。

圖6 試驗工裝的總裝配

2.3 主驅動軸承試驗方案

在試驗開始前先對掘進機主驅動軸承進行磨合，磨合過程中觀察試驗軸承的溫度、振動和噪聲等，確保試驗平臺各系統正常運行，測控軟件能夠完成對試驗平臺的控制。若無異常則進行正式試驗；若有異常則停機檢查，待故障排除后重新進行磨合試驗［15］。

磨合試驗完成后，按不同工況測試軸承的運轉性能。主要進行極限工況和多工況軸承性能試驗，多工況性能試驗合計進行360 h，并記錄運轉過程中軸承的工作載荷、轉速、扭矩，測試軸承運轉性能。主驅動軸承性能試驗工況如表1 所示。

表1 主驅動軸承性能試驗工況

3 結果與分析

開展主驅動軸承軸向力、徑向力及傾覆力矩模擬加載的臺架試驗。為模擬軸承在掘進機上的潤滑冷卻效果，采用噴油潤滑方式，潤滑油種類為shell 320。試驗過程中軸承溫度均在40 ℃以下，說明試驗軸承潤滑狀況良好。通過分析不同工況下掘進機主驅動軸承軸向力、徑向力及傾覆力矩變化，對軸承運轉性能進行評估。

由于試驗軸承為國產新制造軸承，需先進行磨合試驗。在相對較小載荷和傾覆力矩下對試驗軸承進行初步磨合，使新軸承內部油脂均勻，以降低軸承故障率。從磨合工況初始狀態(tài)記錄試驗數據，進行軸承運轉性能分析。

磨合工況下主驅動軸承載荷變化及傾覆力矩變化如圖7 和圖8 所示。由圖7 和圖8 可見，試驗在磨合工況1 條件下，軸承運轉過程中軸向力Fa、徑向力Fr及傾覆力矩M存在較大波動，軸向力Fa最大波動幅度為26.55%，徑向力Fr最大波動幅度為4.95%，傾覆力矩M最大波動幅度為41.07%，原因為新制造軸承處于未應用狀態(tài)，內部油脂不均勻。工況1 下主驅動軸承磨合一段時間后，增大軸承的軸向力、徑向力及傾覆力矩開展工況2 下的主驅動軸承磨合試驗。從圖7 和圖8 還可以看出，軸承運轉過程中軸向力Fa相對穩(wěn)定，徑向力Fr最大波動幅度為1.60%，傾覆力矩M最大波動幅度為1.72%，徑向力Fr及傾覆力矩M存在小范圍波動。

圖7 磨合工況下主驅動軸承載荷變化

圖8 磨合工況下主驅動軸承傾覆力矩變化

磨合試驗完成后進行多工況軸承試驗，試驗中設定軸承徑向力為4.5 MN，工況3 ～5 軸承軸向力逐步增大，多工況下軸承軸向載荷、徑向載荷和傾覆力矩按照工況3—4—5 進行循環(huán)加載，記錄試驗中載荷、傾覆力矩和作用時間等。

多工況下主驅動軸承軸向力變化和徑向力變化如圖9 和圖10 所示。可以看出，工況3、4、5 下軸承運轉過程中軸向力Fa相對穩(wěn)定，徑向力Fr存在相對明顯的波動，工況3 下徑向力Fr最大波動幅度為2.91%，工況4 下徑向力Fr最大波動幅度為3.57%，工況5 下徑向力Fr最大波動幅度為2.29%。多工況下主驅動軸承傾覆力矩變化如圖11 所示。可以看出，多工況下軸承傾覆力矩在軸承運轉后保持相對平穩(wěn)狀態(tài)。

圖9 多工況下主驅動軸承軸向力變化

圖11 多工況下主驅動軸承傾覆力矩變化

極限工況下軸承軸向力、徑向力和傾覆力矩為最大狀態(tài)，轉速為0 r／min，記錄極限工況下載荷、傾覆力矩和作用時間等。

極限工況下主驅動軸承載荷變化和傾覆力矩變化如圖12 和圖13 所示。由圖12 和圖13 可見，極限工況下，軸承運轉過程中軸向力Fa、徑向力Fr及傾覆力矩M變化趨勢大致相同，均先增大并超過設定軸向力、徑向力和傾覆力矩，受設備加載性能的影響，軸向力、傾覆力矩不能持續(xù)保持極限值，在極限5 s左右后減小并保持相對穩(wěn)定狀態(tài)運行。

圖12 極限工況下主驅動軸承載荷變化

圖13 極限工況下主驅動軸承傾覆力矩變化

試驗后對軸承進行拆解，軸承拆解檢測如圖14 所示。拆解后軸承軸向游隙為0.28 mm，滿足0.24 ～0.39 mm技術要求，軸承徑向游隙為0.36 mm，滿足徑向游隙0.20 ～0.40 mm 技術要求。軸承拆解檢查后發(fā)現，各摩擦副表面有正常的接觸痕跡，滾道表面在滾子兩端接觸區(qū)域有深度0.04 mm 的臺階狀壓痕。

圖14 軸承拆解檢測

4 結語

在磨合工況和多工況下進行主驅動軸承的運轉性能試驗，試驗過程中軸承溫度在40 ℃以下，說明軸承潤滑狀況良好。在規(guī)定工作載荷工況下，徑向力Fr最大波動幅度為3.57%，軸向力和傾覆力矩的波動幅度最大不超過3.00%，主驅動軸承運行狀態(tài)平穩(wěn)；極限載荷下持續(xù)時間5 s左右，受設備性能影響，軸承軸向力、徑向力和傾覆力矩減小至極限值以下平穩(wěn)運行。試驗后對主驅動軸承進行拆解，軸承軸向游隙和徑向游隙均滿足軸承技術要求，并且軸承狀態(tài)良好。