公路隧道掘進(jìn)機(jī)主軸承疲勞損傷及振動(dòng)響應(yīng)研究

摘要：通過建立軸承鋼的損傷演化方程，模擬隧道掘進(jìn)機(jī)主軸承在低速重載條件下的疲勞損傷行為，并研究了主軸承在時(shí)域和空間域的損傷演化規(guī)律，采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方法研究主軸承損壞后盾構(gòu)機(jī)的振動(dòng)響應(yīng)。研究結(jié)果表明，滾道的損壞風(fēng)險(xiǎn)大于滾筒，在主軸承運(yùn)轉(zhuǎn)20 000 h后，滾道已達(dá)到失效狀態(tài)，主軸承損壞不僅會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)峰值增大，還會(huì)引起響應(yīng)的頻率分量增加。當(dāng)隧道掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)間達(dá)到15 000 h 時(shí)，軸承損壞區(qū)域會(huì)迅速擴(kuò)大，僅在運(yùn)轉(zhuǎn)1 000 h內(nèi)的最大損壞值從0.33增至0.99，因此建議將軸承臨界損壞值設(shè)為0.3。

關(guān)鍵詞：公路隧道；掘進(jìn)機(jī)主軸；疲勞損傷；振動(dòng)響應(yīng)

中圖分類號：U455.31? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）05-0063-05

0 引言

隧道掘進(jìn)機(jī)以其環(huán)保、高效、安全，以及對環(huán)境干擾小和不受氣候影響等優(yōu)點(diǎn)在軌道交通、鐵路隧道等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。主軸承作為隧道掘進(jìn)機(jī)的關(guān)鍵核心部件，承擔(dān)著承載和傳遞載荷的重要作用［1］。由于在使用隧道掘進(jìn)機(jī)的過程中更換主軸承非常困難，因此研究人員通常將主軸承的壽命等同于隧道掘進(jìn)機(jī)的壽命［2］?；诖?，研究主軸承疲勞損傷及其對系統(tǒng)響應(yīng)的影響，對及時(shí)發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的早期故障并預(yù)測其性能，以及保證施工正常進(jìn)行具有重要意義［3］。

隨著材料疲勞損傷的不斷發(fā)展，其力學(xué)性能會(huì)逐漸下降，導(dǎo)致軸承振動(dòng)響應(yīng)發(fā)生變化［4］。因此，監(jiān)測軸承損壞引起的響應(yīng)變化可以有效地診斷和預(yù)警其故障。目前，許多學(xué)者提出了相應(yīng)的故障診斷和生命周期性能預(yù)測模型。岑道勇等［5］提出了一種連續(xù)小波變換方法，用于分析軸承的振動(dòng)信號并識別軸承套圈上的缺陷大小。宮瑋麗等［6］研究了引入基于小波變換（ORDWT）的故障診斷方法。王志偉［7］提出了一種基于復(fù)雜包絡(luò)譜的滾動(dòng)軸承故障特征提取方法。隨著智能監(jiān)測、傳感器和大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷和性能預(yù)測模型得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了極大的進(jìn)步。然而，現(xiàn)有的故障診斷模型完全是由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的，缺乏物理模型的支持，因此診斷的準(zhǔn)確性和算法的可移植性有待提高。此外，隧道掘進(jìn)過程會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲信號，導(dǎo)致預(yù)測主軸承性能的工作更加困難。結(jié)合上述技術(shù)現(xiàn)狀，本文將建立基于軸承鋼損傷演化方程，模擬隧道掘進(jìn)機(jī)主軸承的疲勞損傷行為，研究主軸承在時(shí)域和空間域的損傷演化規(guī)律，并采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方法研究掘進(jìn)機(jī)在主軸承損傷后的振動(dòng)響應(yīng)。從力學(xué)角度研究軸承損傷引起的振動(dòng)響應(yīng)，可為研究人員研究基于機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)提供參考。

1 主軸承疲勞損傷分析

本文的研究對象是直徑為3.3 m的隧道掘進(jìn)機(jī)主軸承，其主要由外環(huán)、內(nèi)環(huán)和三排圓柱滾筒組成，隧道掘進(jìn)機(jī)主支座結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其前部安裝了直徑為8 m的刀盤。

與傳統(tǒng)的軸承結(jié)構(gòu)相比，本文研究的結(jié)構(gòu)可以承受更大的推力和傾覆力矩，以及一定的徑向力。徑向力G主要來自刀盤重力，在掘進(jìn)過程中幾乎沒有變化［8］。然而，推力F和傾覆力矩M的動(dòng)力學(xué)行為非常復(fù)雜，容易導(dǎo)致滾筒和環(huán)出現(xiàn)疲勞損壞。許多研究表明，導(dǎo)致軸承疲勞損傷的主要驅(qū)動(dòng)力是循環(huán)剪切應(yīng)力。隧道掘進(jìn)機(jī)主支座的滾筒通常由GCr15鋼制成［9］，其瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)扭轉(zhuǎn)方程如下：

[τmax=Δτ2=2.636 N-0.102]? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

通常，高周疲勞的損傷演化方程可以設(shè)置如下：

[dDdN=Δσσr（1-D）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

公式（2）中：D為損傷系數(shù)；N表示循環(huán)數(shù)；Δσ為最大應(yīng)力和最小應(yīng)力之間的差值；σr為與平均應(yīng)力相關(guān)的材料參數(shù)。

由于主軸承的接觸疲勞的主要驅(qū)動(dòng)力是剪應(yīng)力，因此用 Δτ 代替 Δσ，變換如下：

[0NdN=01σr（1-D）ΔτmdD→Δτ=σr[（m+1）N1m]]（3）

其中，m是與溫度相關(guān)的材料參數(shù)，將公式（3）與公式 （1） 進(jìn)行比較可以得出m = 9.787 4，σr = 6 722 MPa。 因此，GCr15鋼的損傷演變方程如下：

[dDdN=Δτ6 277（1-D）9.787 4]? ? ? ? ? ? ? （4）

主軸承套圈通常由42CrMo 鋼制成，本文采用18CrNiMo7-6 鋼替代。18CrNiMo7-6 鋼的損傷演化方程如下：

[dDdN=Δτ3 521.2（1-D）10.3]? ? ? ? ? ? ? ? （5）

隧道掘進(jìn)機(jī)主軸承中的所有三排滾筒使用圓柱形滾筒。為減小計(jì)算規(guī)模，將滾筒與圓環(huán)的接觸問題簡化為平面應(yīng)變問題。滾筒與滾道接觸的有限元模型如圖2所示，軸承鋼的材料性能見表1。由于模型是對稱的，因此只需要取模型的1/4進(jìn)行計(jì)算。網(wǎng)格在滾筒和滾道之間的接觸區(qū)域加密，單元的邊長為0.05 mm。在有限元模擬軟件Abaqus中，CPE4R單元被分配給有限元模型，單元總數(shù)為16 000個(gè)。正常接觸行為定義為“硬接觸”，切向摩擦系數(shù)被定義為0.05。

在Abaqus中設(shè)置了2個(gè)步驟。第一步，在滾道上部施加一個(gè)較小的壓力，使模型建立穩(wěn)定的接觸關(guān)系。第二步，對滾道上部施加周期性載荷Q（如圖2所示）。本文假設(shè)主軸承的轉(zhuǎn)速為6 r/min，根據(jù)幾何關(guān)系推導(dǎo)出時(shí)間與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系（見表2）。

在Abaqus 的“屬性 ”模塊中激活一個(gè)字段，使彈性模量E與該字段線性相關(guān)，該字段即為D。以滾筒為例，將彈性模量E的最大值設(shè)為209 000 MPa，最小值設(shè)為0，分別對應(yīng)D= 0和D =1。將公式（4） 和公式（5） 編譯到USDFLD子程序中，并與Abaqus接口。每次當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)，都可以更新滾筒和滾道的損傷和剛度。對于平面問題，最大剪應(yīng)力可表示如下：

[Δτ=（σx-σy2）2+τxy2]? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

2 主軸承疲勞損傷模擬

隧道掘進(jìn)機(jī)工作條件設(shè)定為刀盤的傾覆力矩M為8 000 kN·m。刀盤的重力G為800 kN，刀盤的推力F為5 000 kN。主滾筒的最大載荷為195.3 kN，反向滾筒的最大載荷為 30 kN，徑向滾道的最大載荷為20.2 kN。本研究設(shè)定每個(gè)滾筒承受的載荷不相同，以反向滾筒為例，反向滾筒的最大載荷為30 kN，位于主軸承的上端（如圖3所示）。由于每個(gè)滾筒上的載荷不均勻，因此假設(shè)滾筒圍繞環(huán)滾動(dòng)一圈，只在載荷最大的區(qū)域（即 3/4～5/4π 的區(qū)域）加載，并且載荷始終為 30 kN。類似的假設(shè)也適用于主滾筒和徑向滾筒。在不同的工作時(shí)間下，主軸承各部分的損壞程度D見表3。

從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，滾道的損壞風(fēng)險(xiǎn)大于滾筒；在所有滾道中，外圈主滾道的損壞風(fēng)險(xiǎn)最大。主排在主軸承運(yùn)轉(zhuǎn)20 000 h后，滾道已達(dá)到失效狀態(tài)，此時(shí)滾筒的損壞程度遠(yuǎn)小于滾道的損壞程度。反向排和徑向排在主軸承運(yùn)行20 000 h后，滾筒和滾道的損壞程度相對較小。以主滾道的模擬結(jié)果為例，其損傷隨時(shí)間的演變情況如圖4所示。從空間域的角度看，滾道的損傷從距滾道表面 0.6 mm 的地下位置開始，沿水平45°的水平角向表面延伸，逐漸形成疲勞剝落。從時(shí)域角度看，當(dāng)工作時(shí)間小于15 000 h時(shí)，主推滾道的損傷演化較慢。當(dāng)工作時(shí)間達(dá)到15000 h 時(shí)，損壞區(qū)域迅速擴(kuò)大，僅在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間1 000 h內(nèi)的最大損壞值就從0.33增至0.99，因此建議將臨界損壞值設(shè)為 0.3。

3 掘進(jìn)機(jī)振動(dòng)響應(yīng)的變化

在掘進(jìn)過程中，隨著主軸承損壞程度的發(fā)展，隧道掘進(jìn)機(jī)的振動(dòng)響應(yīng)會(huì)越來越大。如果振動(dòng)響應(yīng)過大，不僅會(huì)使主軸承的接觸應(yīng)力超過極限，還會(huì)對刀盤系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。因此，研究主軸承損壞后隧道掘進(jìn)機(jī)的振動(dòng)響應(yīng)具有重要意義。本節(jié)在研究主軸承疲勞損傷的基礎(chǔ)上，引入非線性彈簧元件模擬滾子與滾道之間的相互作用，對隧道掘進(jìn)機(jī)施加波動(dòng)的刀盤載荷，采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方法研究隧道掘進(jìn)機(jī)在主軸承損傷前后的振動(dòng)響應(yīng)變化。

首先，在Abaqus中建立隧道掘進(jìn)機(jī)的三維模型（如圖5所示），其中刀盤直徑為 8 m，主梁總長度為13 m。對推力系統(tǒng)施加固定約束，并將推力缸的剛度設(shè)置為706 000 N/mm。非線性彈簧元素用于模擬銑挖機(jī)與巖石之間的相互作用，彈簧前端固定在隧道面上，后端與銑挖機(jī)鞍座耦合。彈簧在拉伸狀態(tài)下的剛度設(shè)為 0。

頻率是結(jié)構(gòu)的自然特性。通過比較數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測試得到的頻率值，驗(yàn)證建模方法的可靠性。根據(jù)頻率相關(guān)理論［10］，如果模擬頻率與實(shí)驗(yàn)頻率之間的誤差小于8%，則可以認(rèn)為二者是相關(guān)的。從表4中可以看出，模擬值與實(shí)驗(yàn)值的最大誤差為7.1%，最小誤差為2.9%，平均誤差為5.4%，進(jìn)一步證明數(shù)值模型能夠很好地反映真實(shí)模型的固有特征，可以作為仿真模型使用。

設(shè)定邊界條件后，將外環(huán)邊界上與工具法蘭耦合［11］。在外環(huán)邊界上施加刀盤推力載荷，并使用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方法模擬隧道掘進(jìn)機(jī)的振動(dòng)響應(yīng)。模擬完成后，輸出刀盤支撐的振動(dòng)加速度信號（如圖6所示）。使用FFT變換（快速傅立葉變換）將時(shí)域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號（如圖7所示）。從圖6和圖7可以看出，當(dāng)主軸承處于正常狀態(tài)時(shí)，振動(dòng)信號的峰值較??；當(dāng)主軸承損壞時(shí)，振動(dòng)的峰值明顯增大，頻率分布較寬。由此可見，當(dāng)主軸承損壞時(shí)，其振動(dòng)響應(yīng)的峰值會(huì)增大，導(dǎo)致響應(yīng)的頻率成分增多。由此可見，軸承損壞降低了局部材料特性，從而降低了軸承的接觸剛度，進(jìn)一步增大了隧道掘進(jìn)機(jī)的振動(dòng)響應(yīng)峰值，導(dǎo)致響應(yīng)的頻率成分增多［12］。

峰度、脈沖因子和邊際因子作為無量綱參數(shù)，對軸承的健康狀態(tài)非常敏感且不依賴于運(yùn)行條件，因此常被用作軸承的故障診斷指標(biāo)。峰度反映了振動(dòng)信號偏離正態(tài)分布的程度，更適用于主軸承早期故障的診斷。圖8為3種地質(zhì)條件下，振動(dòng)信號隨時(shí)間變化的峰度曲線。

從圖8中可以看出，在砂巖和板巖地質(zhì)條件下，振動(dòng)信號的峰度隨著時(shí)間的推移而增大。在大理巖地質(zhì)條件下，振動(dòng)信號的峰度比較穩(wěn)定，始終處于較高水平，這是由于大理石的抗壓強(qiáng)度值較高。在相同的貫入度下，刀盤載荷的波動(dòng)更加劇烈，強(qiáng)烈的背景噪聲會(huì)掩蓋振動(dòng)信號的斷層特征。

4 結(jié)論

本文采用有限元方法模擬隧道掘進(jìn)機(jī)主軸承的疲勞損傷行為，并研究主軸承在時(shí)間域和空間域上的損傷演化規(guī)律，采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方法研究隧道掘進(jìn)機(jī)主軸承損傷后的振動(dòng)響應(yīng)，得出研究結(jié)果如下：圓環(huán)的損壞風(fēng)險(xiǎn)大于滾筒，其中外環(huán)主滾道的損壞風(fēng)險(xiǎn)最大，在施工過程中應(yīng)特別注意。滾道的損傷從表面0.6 mm的地下位置開始，沿45°的水平角延伸到表面，逐漸形成疲勞剝落。主軸承的損壞不僅會(huì)導(dǎo)致隧道掘進(jìn)機(jī)的峰值振動(dòng)響應(yīng)增加，還會(huì)導(dǎo)致更多頻率分量的響應(yīng)。振動(dòng)信號的峰度、脈沖因子和邊界因子可以表征軸承的損傷程度。通過監(jiān)測振動(dòng)信號的時(shí)域指標(biāo)，可以實(shí)時(shí)掌握主軸承的損傷程度，為主軸承的維修提供參考。本研究采用數(shù)值模擬技術(shù)研究主軸承的疲勞損傷及其對系統(tǒng)響應(yīng)的影響，今后將根據(jù)工程實(shí)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行修正，以提高模型預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，軸承故障多種多樣，本文僅將疲勞損傷作為一種典型故障進(jìn)行研究，未來將研究磨損、塑性變形和其他故障對隧道掘進(jìn)機(jī)振動(dòng)響應(yīng)的影響。

5 參考文獻(xiàn)

［1］張闡娟，劉瑞慶，李磊.大直徑泥水盾構(gòu)國產(chǎn)主軸承在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用——以浙江舟山海底公路隧道工程為例［J］.隧道建設(shè)（中英文），2022，42（S1）：526-535.

［2］石茂林，孫偉，宋學(xué)官.隧道掘進(jìn)機(jī)大數(shù)據(jù)研究進(jìn)展：數(shù)據(jù)挖掘助推隧道挖掘［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2021，57（22）：344-358.

［3］焦露琳，楊振興，趙小龍.基于實(shí)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)的軟硬復(fù)合地層下刀盤振動(dòng)特征研究［J］.施工技術(shù)，2021，50（5）：112-116.

［4］夏毅敏，馬劼嵩，李正光，等.主梁式TBM關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對其動(dòng)力學(xué)特性的影響規(guī)律［J］.振動(dòng)與沖擊，2020，39（8）：193-201.

［5］岑道勇，王海軍，熊陽陽.復(fù)雜地質(zhì)條件下超大直徑隧道TBM選型及應(yīng)用［J］.施工技術(shù)（中英文），2023，52（5）：97-102.

［6］宮瑋麗，梁波，王曉蘭.基于小波包和Hilbert包絡(luò)分析的隧道掘進(jìn)機(jī)主軸承故障診斷方法研究［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2018（2）：15-18.

［7］王志偉.隧道掘進(jìn)機(jī)主軸承潤滑系統(tǒng)故障分析及維保技術(shù)［J］.建筑機(jī)械，2015（12）：89-92.

［8］王艷波.TBM主軸承失效形式及其在西秦嶺隧道施工中的故障分析［J］.隧道建設(shè)，2014，34（10）：1011-1017.

［9］劉泉聲，黃興，潘玉叢，等.TBM在煤礦巷道掘進(jìn)中的技術(shù)應(yīng)用和研究進(jìn)展［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2023，51（1）：242-259.

［10］謝燕琴，劉進(jìn)，張魁.基于軸承等效剛度法的TBM盤形滾刀模態(tài)分析［J］.現(xiàn)代制造工程，2019（2）：154-160.

［11］吳桌盼，閆富華，茍永，等.復(fù)雜地層小曲線半徑長距離TBM可靠性選型關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.建筑技術(shù)開發(fā)，2023，50（5）：91-93.

［12］余忠瀟，郝如江.基于小波包分析與互補(bǔ)集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的軸承故障診斷應(yīng)用［J］.濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，33（6）：544-549.

【作者簡介】廖澤棟，重慶墊江人，任職于廣西路建工程集團(tuán)有限公司，工程師，研究方向：機(jī)電設(shè)備管理。

【引用本文】廖澤棟.公路隧道掘進(jìn)機(jī)主軸承疲勞損傷及振動(dòng)響應(yīng)研究［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2023（5）：63-67.