盾构机大轴承结构参数优化设计

图4 !三排三列滚柱式大轴承
总体体积的大小上$因此选择总的滚柱体积最小作 为优化的目标%取设计变量为 /0 * % & & & #$ !$ *+ !
! 收稿日期" ! " " , ’ # ! ’ " + ! 通讯地址" 陈沛! 成都市西南交通大学九里校区) * +信箱
盾构机大轴承属于典型的低速重载轴承 $ 普 通的轴承设计方法并不能完全适合于特大型轴承 % 目前国内外轴承制造商在设计时一般不考虑疲劳
盾构机大轴承结构参数优化设计
陈!沛! 管会生! 赵晶石
"西南交通大学!机械学院! 四川!成都! # ) # " " * # ! 摘要" !以目前国外盾构机普遍采用的三排滚柱式大轴承为研究对象$ 结合其受力特点和设计方法建 立参数化优化模型%以成都地铁所用的盾构机为例$ 在满足设计要求的额定静载荷条件下 $ 建立优化模型 并利用 & 9 P Q 9 D优化工具箱求解%结果表明通过该方法能够有效确立轴承的滚柱数量和尺寸$ 对大轴承的国 产化有一定的积极作用% ! 关键词" !盾构机&大轴承&优化设计 ! 中图分类号") 文献标识码"*!! ! 文章编号" $ 7 ) ! # # " " # + ( ( % ,# ! " # " " % + " " + & + " * !! !
K " 3 ( + 1 & ) * ’ . # " / & ) " # $ % " $ # ( + ( # ( 3 & " & # ) . ’ + ( # &0 & ( # * ’ " / & ) / & + 13 ( % / * & A 2 A 2 2.
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装要求$限定在范围$! %! $) %" 之间$ 将 # 和 "式$可得 2 的取值范围 0"的取值范围代入 ! + ! ’ ! " ’ ! " $ ’ " $ ( 0 0 ! " 2"! % ’ " $ ( 0 0 # " 8 " 8 #" ##" #" ! , 得到约束条件 ’ ! " " /" 0 & % ’ " $ ( & & # " " ! # " ! ! 8 " !! *’! #" #6 ’ ! " " /" 0! $’ " $ ( & & ! " ’ & " ! # # ! ! 8 *! #" #*" 6 6 7 5 !滚柱有效接触长度# 的约束条件 滚柱沿圆弧滚道滚动时$ 由于踏面内外侧滚 道直径有差值$ 必然产生滚道踏面与滚柱之间的 滑动%这种滑动将引起附加旋转阻力$ 并加快滚 柱和滚道的磨损$ 所以滚柱只适用于大直径滚道% 虽然可以将滚柱改为锥面来解决这一问题 $ 但对 制造和安装精度要求很高$ 还必须保持圆锥顶点 与回转中 心 重 合% 为 了 尽 量 减 小 这 种 滑 动 磨 损$ 按’ / )) +’# , , , 在设计时滚柱的有效接触长度 应不大于滚柱的直径%由此可以得到 " $ & 0#" 1"0# 则约束条件
6 !约束条件
6 7 4 !额定静负荷寿命要求 ’ ! ! " M 3 N( ! " ! ! " *
0# 1 2( ! " M 3 3 N
则得到约束条件
! " )
! 0# 1 2 "0 " 3 式中! ) ) ) 额定静载荷 & ! " ) )当量静载荷& ! N)
# ! + % $ ( 05 /" 0 ’ & & & " 8 #! M " # ! *" 6 3 3 Y % 0" ! " &
上半月刊" ! " # " $ " %!
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& & #表示滚柱直径 0 #& !表示滚柱有效接触长度 1& & *表示主推进滚柱数量 2%
目标函数为 8 ! $ $ "! " ; 3 &" 0 & & & " & " & " # !@ #& ! *!! #’ !’ *’ 3! %
在设计阶段可以采用经验公式计算 # ! ! " 40 8 05 ( Y % 式中 !5 ) ) )单 位 掘 削 断 面 上 的 经 验 推 力$5 Y Y取 ! ’ & " " # ! " " A . @& ! ) )刀盘本体直径% 0) 由此可以建立大轴承的额定静负荷条件
!
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) )寿命系数$由于盾构机大轴承属于满 M) 3 负荷# 冲 击 大 的 特 重 型 轴 承$ 根 据 ’ 建筑机械用三排柱 / )) + ’# , , ,式回转支承. $ 取3 & # $ % ( # $ & " ! M0 ) )静载荷系数$按表#选取% ") 3
表4 !静载荷系数! > 滚道表面硬度 ’ ! # % ) "( ,( +( &( )( (( *( #( "
大轴承是盾构机刀盘驱动系统的重要组成部 分$其结构受到整个驱动系统的限制% 刀盘主要 靠几个均匀分布的液压马达或电机通过驱动大轴 承内齿圈实现转动$ 因此大轴承的内齿圈直径 0 R 必须满足 驱 动 设 备 以 及 刀 盘 的 安 装 要 求% 此 外$ 该轴承在推进过程中的主要工作滚柱是主推进滚 柱 ! 见图 # " $ 设计中以它作为核心$ 相互独立的 结构参数有主推进滚柱直径 0#$ 滚柱与滚道接触 的有效接触长度 1$ 接触滚道中心圆直径 0" 以及 主推进滚柱圆周分布的数量 2%优化内容可以理解 为在限定的区域内$满足一定的寿命和强度要求下 滚柱直径最小#滚柱数量最少$它们都反映在滚柱
! 静载荷系数 ’ ! ’ " # # )# " ), ++ ++ "& )) !( "% % . @@
6 7 6 !滚轮数量" 的约束条件 ’ ! 20! 0"’ " $ ( 0#" 0#-#" 8 计相关要求$取 #0 # " ! " @@% !
! " + 其中 # 为保持架隔离块宽度$ 根据盾构机设 滚道直径 0"的值根据刀盘结构和驱动装置安
/" 0 & & " (! !’ #" 6 ,
机械工业出版社$ , ! " " & * ! " ’ * % + $ 使用 & 9 P Q 9 D优化工具箱R @ ; 3 I 5 3函数求解上述 ############################################## 的安全储备% 在提升时过共振区的时间有限$ 其 # 上接第< : 页$
大轴承的当量静载荷取决于刀盘的受力 $ 如 图!所示%
图6 !大轴承受力简图
& " /" 0 & & " /" 0 " $ & & & "! # ! ! %! !’ #" (! #’ !" 6 6
+ % $ ( ! " ! 4% N0 0" 此处 4 主要取决于推进时在刀盘刃脚前端产 生的贯入 阻 力 和 作 用 在 切 削 刀 盘 上 的 推 进 阻 力$
刀盘驱动大轴承是盾构机的关键部件之一$其 性能质量#可靠性以及使用寿命将直接影响盾构机 施工的进度#安全和掘进里程%目前进口盾构机主 要采用三排三列滚柱式轴承#三排四列滚柱式轴承 和双列圆锥滚子轴承$其中三排三列滚柱式轴承应 用较为广泛$主要用于中小直径盾构机$其结构如 图#所示%其中主推进滚柱主要承受刀盘切削的推 进力和刀盘自重产生的倾覆力矩$径向滚柱承受径 向力$反推进滚柱承受倾覆力矩和反推力%
5 !算例
成都地铁盾构隧道采用圆形衬砌结构 $ 隧道 的内径为! ( % " " @@$ 隧道管片厚度为 * " " @@% 考
# # !
上半月刊" ! " # " $ " %!
虑到盾尾与管片之间和盾构壳体厚度及其与土层 之间的 间 隙 等 因 素$ 盾 构 刀 盘 开 挖 直 径 设 计 为 % ) ! + "Leabharlann Baidu@@$刀盘自重为( ( P 考虑该刀盘用于土压系列盾构$所以单位掘削
转振动以及绕着 . 轴的弯曲振动$ 脚手架上部节 点振幅最大% 物体在受迫振动中$当外力变化的频率等于物 体的固有频率时$会发生共振现象$此时物体受迫 振动的振幅最大%脚手架在工作过程中$其外界激 励源的变化频率远低于固有频率$因此工作装置不 会引起共振%脚手架在提升时$瞬时冲击的频率会 快速跳过共振区$共振力有限$架体安全%
! 参考文献" * + 管会生$土压平衡盾构机关键参数与力学行为计算模 # 型研 究 * , "+ $ 西 南 交 通 大 学 博 士 论 文 集$! " " & & ) ’ , % $ * + 王沫然 第 ! 版" * ! $&’ ) < ’ * 与科学计算 ! &+ $北 京,电子工业出版社$ , ! " " * * # * ’ * * # $ * + 方世杰$綦耀光$ 机械优化设计 * * &+ $ 北京, 机械工 业出版社$ ! " " * $ * + 陆国贤$ 丁怡$ 倪庆兴$ 三列滚柱式回转支承结构参 % 数优化设计 * + $ 工程机械$ # , + ! $ * + 刘泽九$贺士荃$刘辉$ 滚动轴承应用 * ( &+ $ 北京,
共振力的破坏有限% 整体上脚手架安全% 由于脚 手架靠附 墙 支 承 来 承 载 其 所 有 恒 荷 载 和 活 荷 载$ 因此$应当对连接脚手架和建筑物的预埋螺栓予 以高度重视%
! 参考文献" * + 程书敏$祝永成$ 液压步进式升降脚手架稳定性的有限 # 元分析 * + $ " , $ 国外材料科技$ ! " " + ! ,! ( + & ’ + , $ * + 马爱军$周传月$王旭$ ! $ 9 P ? 9 3和 . 9 M P ? 9 3 有限元分析 专业教程 * &+ $ 北京,清华大学出版社$ ! " " ( $ * + 姚亚亚$ 模板与脚手架工程施工技术措施 * * &+ $北 京,经济科学出版社$ ! " " ( $
! 断面上的经验推力取较大值$取 5 ’ $ " " " A . @ Y0# & 由公式 ! " 计算$4 ( $ " , )/# " .& 刀盘自重 Y0* & 产生倾覆力矩 +0 ( ( / # " .(@@&接触滚道中心
模型 得 & #& #& $ + $ * # , + $ * # , ) $ # , , # 0+ ! 0+ * 0& 取整数为 & $ $ % 即得轴承的 , & , & ) # 0+ ! 0+ * 0& 主推 进 滚 柱 直 径 为 + , @@$ 有 效 接 触 长 度 为 $ 滚柱数量为 个 + , @@ & ) % 成都地铁目前使用的 德国 海 瑞 克 盾 构 机 大 轴 承 主 推 进 滚 柱 直 径 为 , " @@$有效 接 触 长 度 为 , " @@$ 滚 柱 数 量 为 & ) 个$可见该优化设计模型与国外设计的数据比较 接近$具有可行性%
寿命$而以额定静负荷作为设计依据$ 即滚动体 与滚道受载后不超过允许塑性变形% 本文将轴承 静态设计方法和现代优化设计结合在一起 $ 利用 最优算法在满足设计静强度要求的基础上 $ 实现 轴承的结构最优化% 以三排三列滚柱式大轴承为 研究对象$结合盾构机的工作特点建立优化模型 %
4 !目标函数的建立
圆直径 0"按刀盘结构和驱动系统要求取值范围为 ! " ( " % " " @@& 滚 道 表 面 硬 度 取 ( ) !# %$ 可 得 !! ! 静载荷系数 3 ’ " . @@ & 鉴于成都地铁地质条 " 0+ 件主要是卵石土$取寿命系数3 % # $ ( M0 运用 &’ ) < ’ * 建立优化模型如下, 8 ! $ $ " ! " @ ; 3 &" 0 & & & " & " & " # * #& ! *!! #’ !’ *’ 3! % & /" 0 % $ & ( ( / # " ’ + " & & & " #! # ! *" 6 + /" 0 & & # " & " $ ( & & ( * ) " " !! # **#’ 6 " /" 0 ) % * & ’ & & ! " & " $ ( & " ! # % !* *! # *’ *’ #" 6 /" 0 " $ & & & " %! #’ !" 6
8 !结论
本文以超高脚手架为研究对象$ 利用有限元 软件对其进行了静力学和动力学分析 % 该脚手架 在施工使用的工况下都未达到极限值 $ 具有一定
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