CN114216430B - 一种大型掘进机主驱动轴承滚子应变的实时监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于隧道施工机械领域，提出了一种大型掘进机主驱动轴承滚子应变的实时监测方法。合理布置在轴承零部件不同位置，能有效提取轴承滚子应变的实时监测方法。基于主驱动轴承零部件的结构形式进行预处理，将无线传感装置通过粘接和螺纹联接的方式安装在轴承零部件的凹槽或者表面等不同位置，通过应变重构的方式推算出轴承滚子的应变。无线传输轴承滚子的应变传入到计算机监控系统，及时反馈给操作人员，准确地对主驱动轴承滚子应变进行分析，确保机械设备的可靠运行，具有一定的经济效益。
Description
技术领域
本发明属于隧道施工机械领域，尤其涉及一种大型掘进机主驱动轴承滚子应变的实时监测方法。
背景技术
主驱动轴承是大型掘进机的关键零部件，是大型掘进类机械设计的核心技术之一，一旦失效将导致掘进机长期停机甚至报废。我国95％以上的大型掘进机已实现自主研制，但大型主驱动轴承几乎100％依赖进口，其研制技术是我国大型掘进机全面自主化的“卡脖子”问题。由于掘进工况的恶劣性和主驱动轴承的重要性，有必要对其动态性能评价指标进行有效监测，确保设备的运行安全。
国外对大型掘进机轴承动态性能的分析开展较早。瑞典SKF研制出大型轴承动态性能试验台，实现6米级大型轴承的动态性能测试；挪威科技大学针对TBM主驱动轴承的可靠性分析进行了长期研究，开发了面向TBM主驱动轴承的可靠性分析软件。国内的相关轴承企业对掘进机主驱动轴承进行了一定的研究，轴研所成功研制了土压平衡盾构机用主驱动轴承，并在长沙地铁项目中得到应用；杭轴研拥有轴承行业国家级检测实验室，具备轴承动态性能检测与加速寿命试验基础；中铁装备掌握了主驱动轴承的集成应用技术，积累了丰富的工程应用经验。
随着科学技术的发展，机械的自动化程度和精密程度越来越高，早期的轴承检测手段已经落后。融传感器技术、信号处理技术及计算机技术一体的智能诊断技术成为主流。主轴承的主要失效形式有疲劳剥落、表面塑性变形、磨损等，其中滚子的磨损占据很大的比重，其可靠性尤为重要。通常的监测手段由于主轴承安装空间的限制，可触及的检测点离轴承滚子较远，无法准确得获取滚子的运行状态信息。因此，在保证主轴承有足够承载能力的情况下，采用智能无线传感装置传输零部件其他部位的应变情况来推算轴承滚子的应变成为了较好的选择。
发明内容
本发明的目的是弥补主驱动轴承滚子应变无法直接测量的问题，针对大型掘进设备所用主轴承的特性，发明一种将应变传感装置合理优化布置在主驱动轴承的零部件上来间接推算轴承滚子的应变的方法，通过无线传输的方式将轴承滚子的应变传入到计算机监控系统，及时反馈给操作人员，准确地对主驱动轴承应变进行分析，确保机械设备的可靠运行。
本发明的具体方案是：基于主驱动轴承的结构形式加以改进处理，通过无线和有线应变传感装置结合的方式监测轴承零部件不同位置的应变实现滚子应变的测量。一种大型掘进机主驱动轴承滚子应变的实时监测方法的具体步骤如下：
步骤一、对主驱动轴承进行预处理；
主驱动轴承包括主推外圈1、中外圈2、反推外圈3、若干均布的两排主推滚子9、若干均布的径向滚子10、若干均布的反推滚子11、主推保持架6、中保持架7、反推保持架8、内齿圈4、挡环5和浮动环12；在主驱动轴承的零部件主推外圈1左端面和中外圈2圆周面等角度开通四个凹槽，用于安装应变传感装置；主推外圈1左端面等角度开有四个盲孔26和槽口29，用于应变传感装置的线路布置和信号传输；内齿圈4侧壁处螺接内齿圈无线应变传感装置30，内齿圈无线应变传感装置30的信号传输装置与应变传感装置集成于一体进行无线传输，外设的数据处理单元远程接收传输的数据；中外圈2的端面a粘接中外圈右应变传感装置31，导线依次通过左槽孔27、盲孔26和槽口29连接至无线发射装置40；反推外圈3的端面b上粘接反推左应变传感装置32，导线依次通过右槽孔28、盲孔26和槽口29连接至无线发射装置40；主推外圈凹槽23处粘接主推应变传感装置33，导线经过槽口29将信号传输至无线发射装置40；中外圈凹槽24处粘接中外圈上应变传感装置34，导线依次通过上槽孔25、盲孔26和槽口29连接至无线发射装置40；无线发射装置40将应变传感装置的应变数据发送至外设的数据处理单元。
步骤二、确定主推滚子9、径向滚子10、反推滚子11和应变传感装置数据之间的关系，通过测量轴承零部件表面和端面不同位置的应变，得到轴承滚子的应变值，具体步骤如下：
S2.1主推滚子9应变和主推外圈1、中外圈2、内齿圈4表面应变；满足以下公式：
式中：εz为主推滚子应变值，k1为修正系数，εc、εn和εa分别为中外圈上应变传感装置34、内齿圈无线应变传感装置30和中外圈右应变传感装置31测得的轴向应力值，n为主推滚子数目，Ec、En、Ed分别为主推外圈、内齿圈和中外圈的弹性模量；
S2.2径向滚子10、中外圈2和内齿圈4的应变满足以下公式；
式中：εj为径向滚子应变值，k2为修正系数，εv，εu为中外圈上应变传感装置34、内齿圈无线应变传感装置30测得的径向应力值，m为径向滚子数目，Ed、En分别为中外圈和内齿圈的弹性模量；
S2.3反推滚子11、反推外圈3和内齿圈4的应变满足以下公式；
式中：εt为反推滚子应变值，k3、k4为修正系数，εn、εa、εb分别为内齿圈无线应变传感装置30、中外圈右应变传感装置31和反推左应变传感装置32测得的轴向应力值，h为反推滚子数目，Ed、En、Ef分别为主推外圈、内齿圈和反推外圈的弹性模量。
所述内齿圈无线应变传感装置30，包括径向应变片、轴向应变片、数据传输模块和数据发送模块，并集成封装于一体。
所述中外圈右应变传感装置31、反推左应变传感装置32、主推应变传感装置33和中外圈上应变传感装置34均有线传输至挡环5左侧位置再进行无线信号发射。
所述的凹槽配合封盖板，保证传感装置的安全性和完整性。
内齿圈无线应变传感装置30和其他有线应变传感装置分四组呈90°均匀布置在轴承的零部件位置，提高测试的准确性。
本发明的有益效果：采用有线和无线传感装置结合，节省成本，传输效率提升；能够实时监测滚子的应变情况，准确地对轴承寿命进行分析，确保设备的安全可靠运行，为主驱动轴承动态性能提供了评测依据。
附图说明
图1是主驱动轴承的立体结构示意图；
图2是主驱动轴承的主视图；
图3是图2的D-D局部剖视图。
图中：1、主推外圈；2、中外圈；3、反推外圈；4、内齿圈；5、挡环；6、主推保持架；7、中保持架；8、反推保持架；9、主推滚子；10、径向滚子；11、反推滚子；12、浮动环；23、主推外圈凹槽；24、中外圈凹槽；25、上槽孔；26、盲孔；27、左槽孔；28、右槽孔；29、槽口；30、内齿圈无线应变传感装置；31、中外圈右应变传感装置；32、反推左应变传感装置；33、主推应变传感装置；34、中外圈上应变传感装置；a、中外圈端面；b、反推外圈端面。
具体实施方式
结合附图详细说明本方法的具体实施。全断面岩石掘进机由刀盘、法兰盘、主轴承、主驱动壳体和前盾体等组成。主轴承大多是三排圆柱滚子回转支承，其结构和载荷复杂，整体尺寸较大，滚子较多。在承受轴向力、径向力和倾覆力矩的作用下，在滚子滚道接触区域容易产生较大的接触应力和变形，严重影响到主轴承的正常运转。但是由于轴承安装空间和运动空间的限制，应变传感器无法直接测量滚子的应变。因此通过间接测量其他零部件的应变情况来推动出滚子的应变。根据传感器的选用原则和轴承高温高湿的工作环境，采用耐高温的电阻式应变片，无线应变传感装置与数据处理单元、无限传输系统、电源等集成一体进行封装。考虑安装空间的限制，在主驱动轴承的主推外圈1端面和中外圈2圆周面开有凹槽，凹槽内安装有线应变传感装置；考虑信号的传输强度，在中外圈2和反推外圈3的内部嵌入应变传感装置，并通过槽口引出导线，待轴承装配完成后开有盲孔和槽口将信号传输至信号处理传输装置。为防止掘进时主轴承的振动较大使得传感器脱落，在其安装时进行粘接或者螺纹连接。考虑轴承结构的完整性和安全性，对无线传感装置在凹槽内的加装封盖板进行密封处理。
主推滚子9的应变主要通过安装在主推外圈1凹槽内的应变传感装置测量。并且主推保持架6分别与中外圈2与内齿圈4接触，而主推保持架6和主推滚子9的结构导致无法直接测量主推滚子9应变，因此在中外圈2嵌入安装应变传感装置测量中外圈2轴向应变和内齿圈4表面安装无线应变传感装置。径向滚子10通过在中外圈2凹槽内的应变传感装置和内齿圈4无线应变传感装置测量中外圈2与内齿圈4的径向应变。反推保持架8与反推外圈3、内齿圈4接触，因此在反推外圈3和内齿圈4加装应变传感装置测量反推外圈3、内齿圈4的应变。因为主推滚子9承受的载荷最大，因此在主推外圈1、中外圈2和内齿圈4均安装应变传感装置保证测量数据的准确性；而反推滚子11受到的冲击较小，因此只需要两个无线传感装置进行测量即可。
本实施案例中的无线应变传感装置包括耐高温的箔式应变片、数据处理单元、数据传输单元、电源，并将其集成于一体进行封装防水处理。内齿圈4上的无线传感装置需要跟随齿轮旋转，振动剧烈，因此需要考虑离心力的影响以及振动加固处理。
图2是主驱动轴承的主视图，图中所示的盲孔等结构、内齿圈无线应变传感装置30和其他有线应变传感装置均分四组呈90°均匀布置在轴承的零部件位置，提高测试的准确性。
图3是主驱动轴承D-D的局部剖视图，图中所示的将内齿圈无线应变传感装置30采用螺纹连接的方式安装在内齿圈4的侧壁位置，其信号传输装置与传感器集成于一体进行无线传输，外设的数据处理单元远程接收传输的数据。嵌入至轴承内部的应变传感装置考虑信号屏蔽的问题，故进行有线传输至数据处理和传输单元再无线远程发送至外设端设备：中外圈右应变传感装置31和反推左应变传感装置32粘接在中外圈的端面a和反推外圈的端面b上,其导线通过左槽孔27和右槽孔28经过盲孔26和槽口29将电信号传输至无线发射装置40；主推应变传感装置33采用粘接或螺纹连接安装在主推外圈的凹槽23内，其导线经过槽口29将信号传输至线发射装置40；中外圈上应变传感装置34采用粘接或螺纹连接安装在中外圈的凹槽24内，其导线通过上槽孔25、盲孔26和槽口29将电信号传输至无线发射装置40；外设的数据处理单元远程接收传输的数据。
下面通过测量轴承零部件表面和端面不同位置的应变，推算出滚子的应变值。
主推滚子9应变和主推外圈1、中外圈2、内齿圈表面应变
主推滚子9应变与主推外圈1、中外圈2、内齿圈4表面的应变应满足下面的公式：
式中：εz为主推滚子9应变值，k1为修正系数，εc、εn和εa为中外圈上应变传感装置34、内齿圈无线应变传感装置30和中外圈右应变传感装置31测得的轴向应力值，n为主推滚子数目，Ec、En和Ed分别为主推外圈、内齿圈4和中外圈2的弹性模量。
(2)径向滚子10和中外圈2、内齿圈4的应变
径向滚子10应变与中外圈2、内齿圈4的应变应满足下面的公式：
式中：εj为径向滚子10应变值，k2为修正系数，εv，εu为中外圈上应变传感装置34、内齿圈无线应变传感装置30测得的径向应力值，m为径向滚子数目，Ed和En分别为中外圈2和内齿圈4的弹性模量。
(3)反推滚子11和反推外圈3、内齿圈4的应变
式中：εt为反推滚子11应变值，k3、k4为修正系数，εn、εa、εb为内齿圈无线应变传感装置30、中外圈右应变传感装置31和反推左应变传感装置32测得的轴向应力值，h为反推滚子数目，Ed、En和Ef分别为主推外圈1、内齿圈4和反推外圈3的弹性模量。
由此可以得出主推滚子9、径向滚子10、反推滚子11的应变变化情况，供相关人员进行分析。
本发明对于实时监测主驱动轴承滚子应变情况，提高主驱动轴承和掘进设备的工作寿命具有重要意义，为研究主驱动轴承的动态性能的评价提供了依据。
Claims (5)
1.一种大型掘进机主驱动轴承滚子应变的实时监测方法，其特征在于，该实时监测方法通过应变传感装置监测轴承零部件不同位置的应变实现滚子应变的测量；具体步骤如下：
步骤一、对主驱动轴承进行预处理；
在主驱动轴承的零部件主推外圈(1)左端面和中外圈(2)圆周面等角度开通四个凹槽，用于安装应变传感装置；主推外圈(1)左端面等角度开有四个盲孔(26)和槽口(29)，用于应变传感装置的线路布置和信号传输；内齿圈(4)侧壁处螺接内齿圈无线应变传感装置(30)；内齿圈无线应变传感装置(30)的信号传输装置与应变传感装置集成于一体进行无线传输，外设的数据处理单元远程接收传输的数据；中外圈(2)的端面(a)粘接中外圈右应变传感装置(31)，导线依次通过左槽孔(27)、盲孔(26)和槽口(29)连接至无线发射装置(40)；反推外圈(3)的端面(b)上粘接反推左应变传感装置(32)，导线依次通过右槽孔(28)、盲孔(26)和槽口(29)连接至无线发射装置(40)；主推外圈凹槽(23)处粘接主推应变传感装置(33)，导线经过槽口(29)将信号传输至无线发射装置(40)；中外圈凹槽(24)处粘接中外圈上应变传感装置(34)，导线依次通过上槽孔(25)、盲孔(26)和槽口(29)连接至无线发射装置(40)；无线发射装置(40)将应变传感装置的应变数据发送至外设的数据处理单元；
步骤二、确定主推滚子(9)、径向滚子(10)、反推滚子(11)和应变传感装置数据之间的关系，通过测量轴承零部件表面和端面不同位置的应变，得到轴承滚子的应变值，具体步骤如下：
S2.1主推滚子(9)应变和主推外圈(1)、中外圈(2)、内齿圈(4)表面应变；满足以下公式：
式中：εz为主推滚子应变值，k1为修正系数，εc、εn和εa分别为中外圈上应变传感装置(34)、内齿圈无线应变传感装置(30)和中外圈右应变传感装置(31)测得的轴向应力值，n为主推滚子数目，Ec、En、Ed分别为主推外圈、内齿圈和中外圈的弹性模量；
S2.2径向滚子(10)、中外圈(2)和内齿圈(4)的应变满足以下公式；
式中：εj为径向滚子应变值，k2为修正系数，εv，εu为中外圈上应变传感装置(34)、内齿圈无线应变传感装置(30)测得的径向应力值，m为径向滚子数目，Ed、En分别为中外圈和内齿圈的弹性模量；
S2.3反推滚子(11)、反推外圈(3)和内齿圈(4)的应变满足以下公式；
式中：εt为反推滚子应变值，k3、k4为修正系数，εn、εa、εb分别为内齿圈无线应变传感装置(30)、中外圈右应变传感装置(31)和反推左应变传感装置(32)测得的轴向应力值，h为反推滚子数目，Ed、En、Ef分别为中外圈、内齿圈和反推外圈的弹性模量。
2.根据权利要求1所述的大型掘进机主驱动轴承滚子应变的实时监测方法，其特征在于，所述内齿圈无线应变传感装置(30)，包括径向应变片、轴向应变片、数据传输模块和数据发送模块，并集成封装于一体。
3.根据权利要求1或2所述的大型掘进机主驱动轴承滚子应变的实时监测方法，其特征在于，所述中外圈右应变传感装置(31)、反推左应变传感装置(32)、主推应变传感装置(33)和中外圈上应变传感装置(34)均有线传输至挡环(5)左侧位置再进行无线信号发射。
4.根据权利要求1或2所述的大型掘进机主驱动轴承滚子应变的实时监测方法，其特征在于，所述的凹槽配合封盖板，保证传感装置的安全性和完整性。
5.根据权利要求3所述的大型掘进机主驱动轴承滚子应变的实时监测方法，其特征在于，所述的凹槽配合封盖板，保证传感装置的安全性和完整性。
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