CN112329177A - 一种盾构机主轴承动力学模型的建模与仿真方法 - Google Patents

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孙明帅
李燕乐
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Abstract

本发明公开了一种盾构机主轴承动力学模型的建模与仿真方法，包括以下步骤：步骤一：在SolidWorks软件中建立包含局部故障特征的盾构机主轴承三维模型，步骤二：将盾构机主轴承三维模型导入到多体动力学分析软件Adams中，得到盾构机主轴承的刚体模型；步骤三：进行有限元分析，得到其柔性化模型；步骤四：将盾构机主轴承内圈、外圈及保持架柔性化后的模型导入原来的刚体模型中并替换相对应的刚性部件，得到盾构机主轴承的刚柔耦合模型；步骤五：模拟正常工作条件下的复杂工况并运行Adams动力学仿真，提取主轴承外圈的振动加速度信号；步骤六：进行频域分析，提取对应的故障特征频率，为盾构机主轴承的故障诊断提供理论判别依据。

Description

一种盾构机主轴承动力学模型的建模与仿真方法
技术领域
本发明涉及盾构机轴承仿真技术领域，具体为一种盾构机主轴承动力学模型的建模与仿真方法。
背景技术
随着国内经济的不断发展，国内铁路、水利工程、隧道施工以及地铁施工项目日渐增多，由于盾构施工具有安全、环保、高效等优点，所以越来越多的盾构机被应用于隧道施工中。
盾构机是当今世界上最先进的隧道掘进超大型专用设备，是现代装备制造业的代表作，它集光、机、电、液、传感、信息技术与一体，是一个非常复杂的系统。盾构机在进行盾构作业时承受着复杂的力及力矩，而其中主轴承作为支撑盾构机刀盘的主要承载部件，承担着盾构机运转过程中的主要载荷，是盾构机中极为重要的关键部件，一旦主轴承发生故障，会直接影响整个盾构机的正常运行，造成极大的经济损失。因此，能及时发现并预知故障，保证盾构机主轴承在复杂的工况下长期可靠的运行非常重要。
为了保证盾构机主轴承运行的可靠性，了解其在不同部位不同类型故障体现出的故障特征信息，需要对其进行对应状态下的动力学实验，但是实验存在以下缺点：
1、盾构机主轴承结构精密且复杂，实验台架搭建成本高昂并且难以保证其安装精度；
2、盾构机主轴承在实际运行过程中，根据不同的地形结构与掘进方向，会承受不同方向及大小的力及力矩，实验台架难以模拟真实的复杂工况。
发明内容
本发明就是针对现有技术存在的上述不足，提供一种盾构机主轴承动力学模型的建模与仿真方法，具有准确性和针对性的特点，解决了实验成本高及不能模拟实际运行工况等缺点，具有节约实验成本、研究周期短等优点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种盾构机主轴承动力学模型的建模与仿真方法，包括以下步骤：
步骤一：在SolidWorks软件中建立包含局部故障特征的盾构机主轴承三维模型，并进行干涉检查；
步骤二：将盾构机主轴承三维模型导入到多体动力学分析软件Adams中，得到盾构机主轴承的刚体模型；
步骤三：将盾构机主轴承的内圈、外圈以及保持架进行有限元分析，得到其柔性化模型；
步骤四：将盾构机主轴承内圈、外圈及保持架柔性化后的模型导入原来的刚体模型中并替换相对应的刚性部件，得到盾构机主轴承的刚柔耦合模型；
步骤五：定义盾构机主轴承刚柔耦合模型中各部件的材料属性，依据盾构机主轴承的拓扑结构，设置模型中各部件的连接关系，在Adams中对盾构机主轴承模型添加推力及扭矩，模拟正常工作条件下的复杂工况并运行Adams动力学仿真，仿真结束后提取主轴承外圈的振动加速度信号；
步骤六：在MATLAB软件中进行联合仿真，将Adams软件中提取的主轴承振动加速度信号进行频域分析，提取对应的故障特征频率，为盾构机主轴承的故障诊断提供理论判别依据。
优选的，所述步骤一中，要根据实际盾构机主轴承的结构尺寸和相互运动关系建立三维模型。
优选的，所述步骤二中，将SolidWorks软件中建立的三维模型通过另存为拓展名为“.x_t”格式的文件导入到Adams软件中。
优选的，所述步骤三中采用ANSYS软件对盾构机主轴承的内圈、外圈及保持架柔性化进行柔性化处理。
优选的，所述步骤四中，经过ANSYS软件柔性化处理后的部件通过另存为为拓展名为“.mnf”格式的中性文件导入Adams软件中。
优选的，所述步骤五中，所述盾构机主轴承的刚柔耦合模型的连接关系包括运动副、接触力和约束。
优选的，所述扭矩计算公式为：
Figure BDA0002784571570000031
其中，Pi为驱动电机功率，ni为驱动电机转速。
优选的，所述推力计算公式为：
F1＝1.5PC2
其中，P为每平方米的推力，P的取值为(0.5-1)×106N，C为盾构机刀盘直径。
优选的，所述盾构机主轴承的故障特征频率为：
Figure BDA0002784571570000032
Figure BDA0002784571570000033
Figure BDA0002784571570000034
式中，fi为内圈故障特征频率，fo为外圈故障特征频率，fr为滚子故障特征频率，fs为内圈转动频率，z为滚子数目，d为滚子直径，D为轴承节圆直径。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过建立带有不同故障类型的盾构机主轴承的动力学模型，并且基于联合仿真方法进行不同工况下仿真分析，从而能够定量、精确地分析盾构机主轴承发生故障时所反应的故障特征信息，为主轴承的故障诊断提供理论依据。本发明所建模型具有准确性和针对性的特点，解决了实验成本高及不能模拟实际运行工况等缺点，具有节约实验成本、研究周期短等优点。
附图说明
图1为盾构机主轴承动力学模型的建模方法流程图；
图2为盾构机主轴承模型拓扑关系；
图3为盾构机主轴承三维模型；
图4为内圈压痕故障模型；
图5为内圈压痕故障仿真振动频谱分析图。
图中：F表示固定副，R表示转动副，C表示碰撞接触力。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
本发明所涉及到的建模与仿真方法流程图，如图1所示，首先建立含有故障特征的盾构机主轴承动力学模型，包括：内圈、外圈及保持架有限元模型和刚柔耦合模型。其次，通过施加不同的载荷和扭矩来模拟实际运行工况，并进行仿真。仿真结束后提取振动加速度时域图形及数据。最后，将振动加速度数据导入至MATLAB中进行联合仿真，提取对应的故障特征频率。本发明的具体实施步骤如下：
步骤一：采用SolidWorks软件按照盾构机主轴承实际结构尺寸建立盾构机主轴承三维模型，如图3所示：主要部件包括轴承内圈、轴承外圈、滚子及保持架，并将各部件按照精确的定位关系和相互运动关系装配成装配体三维模型，为简化模型，建模时忽略螺栓等次要零件。
步骤二：将该实体模型导入到多体动力学分析软件Adams中，得到盾构机主轴承的刚体模型；SolidWorks软件建立的实体模型通过另存为拓展名为“.x_t”格式的文件与Adams软件进行连接。
步骤三：采用有限元分析软件ANSYS对盾构机主轴承内圈、外圈以及保持架进行有限元分析，得到其柔性化模型。为了提高后续仿真速度，有限元分析中网格类型采用六面体划分格式。网格划分结束后，对轴承内圈、外圈以及保持架接触区域建立刚性连接。
步骤四：将盾构机主轴承内圈、外圈及保持架柔性化后的模型导入原来的刚体模型中并替换相对应的刚性部件，其中，滚子仍然是刚体模型，得到盾构机主轴承刚柔耦合模型；经过ANSYS软件柔性化处理后的部件通过转换为拓展名为“.mnf”格式的中性文件与Adams软件进行连接。
步骤五：定义盾构机主轴承刚柔耦合模型中各部件的材料属性，如图2所示，依据盾构机主轴承的拓扑结构，设置模型中各部件的连接关系。
需要设置运动副连接，主轴承外圈与大地建立固定副连接，主轴承内圈与大地建立旋转副连接。
需要设置接触力。三排滚子(主推滚子、辅推滚子、径向滚子)分别与其连接的保持架和主轴承内、外圈建立碰撞接触，接触设置中摩擦计算方法采用Coulomb法，动摩擦系数取0.16，静摩擦系数取0.23，动摩擦转换速度取1000mm/s，静摩擦转换速度取100mm/s。
需要设置内圈旋转驱动。对主轴承内圈施加旋转驱动，使仿真时内圈转速为3r/min。
需要设置盾构机主轴承在运行时受到的推力、在运动方向上各接触面的摩擦力以及刀盘传递的切削力，作用力大小可以编辑，通过修改力的大小来模拟盾构机主轴承在运行时的复杂工况。
其中，扭矩的计算公式为：
Figure BDA0002784571570000051
其中，Pi为驱动电机功率，ni为驱动电机转速。为了仿真时避免转速和复载的突变，定义扭矩加载函数为STEP(time,0,0,3,T)。
主轴承承受的推力F1由下式确定
F1＝1.5PC2
其中，P为每平方米推力，根据经验值一般取(0.5-1)×106N，C为盾构机刀盘直径。
运行Adams动力学仿真，仿真结束后提取主轴承外圈的振动加速度信号。
步骤六：将主轴承外圈振动响应数据导入至MATLAB软件进行联合仿真分析。具体方式为：将Adams中仿真完成后的振动数据以电子表格的形式保存出来，然后在MATLAB中将数据分别保存成时间-加速度幅值和时间-接触力值的mat格式数据文件。在MATLAB中对时域信号进行包络分析，得出信号的频谱图，根据频谱图中出现峰值位置所对应的故障特征频率，评估盾构机主轴承的故障类型及故障发生的位置。
盾构机主轴承故障特征频率为：
Figure BDA0002784571570000061
Figure BDA0002784571570000062
Figure BDA0002784571570000063
式中，fi为内圈故障特征频率，fo为外圈故障特征频率，fr为滚子故障特征频率。fs为内圈转动频率，z为滚子数目，d为滚子直径，D为轴承节圆直径。
在本实施例中，如图4所示，首先在内圈添加故障，模拟轴承内圈压痕，然后按照本发明详细过程进行建模并仿真。结果如图5所示，在MATLAB的频谱分析中出现了明显的峰值，其对应的频率为9.18Hz。
该盾构机主轴承模型参数为：主轴承滚子数目为220个，滚子直径为80mm，轴承节圆直径为2960mm，内圈转速为5r/min，转动频率为0.0813Hz。
将参数代入主轴承故障特征频率公式中，通过计算得出：fi＝9.17Hz。符合仿真得出的内圈故障特征频率值，说明本建模与仿真方法完全正确并有效。
除SolidWorks外，Adams提供与Pro/E，UG等其他主流软件的接口，因此盾构机主轴承三维实体建模同样可以利用Pro/E，UG等建模软件完成。除ANSYS外，盾构机主轴承部件柔性化处理也可以通过hypermesh，patran等有限元分析软件完成。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种盾构机主轴承动力学模型的建模与仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：在SolidWorks软件中建立包含局部故障特征的盾构机主轴承三维模型，并进行干涉检查；
步骤二：将盾构机主轴承三维模型导入到多体动力学分析软件Adams中，得到盾构机主轴承的刚体模型；
步骤三：将盾构机主轴承的内圈、外圈以及保持架进行有限元分析，得到其柔性化模型；
步骤四：将盾构机主轴承内圈、外圈及保持架柔性化后的模型导入原来的刚体模型中并替换相对应的刚性部件，得到盾构机主轴承的刚柔耦合模型；
步骤五：定义盾构机主轴承刚柔耦合模型中各部件的材料属性，依据盾构机主轴承的拓扑结构，设置模型中各部件的连接关系，在Adams中对盾构机主轴承模型添加推力及扭矩，模拟正常工作条件下的复杂工况并运行Adams动力学仿真，仿真结束后提取主轴承外圈的振动加速度信号；
步骤六：在MATLAB软件中进行联合仿真，将Adams软件中提取的主轴承振动加速度信号进行频域分析，提取对应的故障特征频率，为盾构机主轴承的故障诊断提供理论判别依据。
2.如权利要求1所述的一种盾构机主轴承动力学模型的建模与仿真方法，其特征在于：所述步骤一中，要根据实际盾构机主轴承的结构尺寸和相互运动关系建立三维模型。
3.如权利要求1所述的一种盾构机主轴承动力学模型的建模与仿真方法，其特征在于：所述步骤二中，将SolidWorks软件中建立的三维模型通过另存为拓展名为“.x_t”格式的文件导入到Adams软件中。
4.如权利要求1所述的一种盾构机主轴承动力学模型的建模与仿真方法，其特征在于：所述步骤三中采用ANSYS软件对盾构机主轴承的内圈、外圈及保持架柔性化进行柔性化处理。
5.如权利要求4所述的一种盾构机主轴承动力学模型的建模与仿真方法，其特征在于：所述步骤四中，经过ANSYS软件柔性化处理后的部件通过另存为拓展名为“.mnf”格式的中性文件导入Adams软件中。
6.如权利要求1所述的一种盾构机主轴承动力学模型的建模与仿真方法，其特征在于：所述步骤五中，所述盾构机主轴承的刚柔耦合模型的连接关系包括运动副、接触力和约束。
7.如权利要求1所述的一种盾构机主轴承动力学模型的建模与仿真方法，其特征在于：所述扭矩计算公式为：
Figure FDA0002784571560000021
其中，Pi为驱动电机功率，ni为驱动电机转速。
8.如权利要求1所述的一种盾构机主轴承动力学模型的建模与仿真方法，其特征在于：所述推力计算公式为：
F1＝1.5PC2
其中，P为每平方米的推力，P的取值为(0.5-1)×106N，C为盾构机刀盘直径。
9.如权利要求1所述的一种盾构机主轴承动力学模型的建模与仿真方法，其特征在于：所述盾构机主轴承的故障特征频率为：
Figure FDA0002784571560000022
Figure FDA0002784571560000023
Figure FDA0002784571560000024
式中，fi为内圈故障特征频率，fo为外圈故障特征频率，fr为滚子故障特征频率，fs为内圈转动频率，z为滚子数目，d为滚子直径，D为轴承节圆直径。
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