盾构机刀盘驱动大轴承设计研究
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摘要
随着我国城市地下轨道建设的快速发展,盾构机作为专门的地下隧道施工设备得到广泛的应用。驱动大轴承是盾构机的关键部件之一,长期依赖进口,因此对大轴承的研究将有助于提升我国盾构机大轴承的设计制造水平,满足国内工程建设的要求。本文以轴承寿命设计为基础,结合优化设计与有限元分析软件对大轴承的设计理论和方法进行研究,具体如下：
论文首先对传统的轴承设计理论与现代设计方法进行分析研究。通过传统设计方法与现代设计方法的比较,得出在轴承设计中运用现代设计方法的必要性。特别是像盾构机大轴承这种用于特定场合的大型轴承,其结构参数一般没有标准可以参考,设计过程中应有效地将传统轴承寿命设计理论与现代优化方法相结合。
针对盾构刀盘驱动系统结构和工作原理,对驱动大轴承的受力情况进行详细的分析。以目前国外盾构机普遍采用的三排滚柱式大轴承作为研究对象,结合盾构机大轴承受力特点和大轴承设计方法建立其结构主参数化优化模型。并以成都地铁作为案例运用MATLAB进行大轴承主参数优化求解。结果表明通过该方法能够有效确立大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。
最后运用ANSYS软件对滚柱和滚道接触部位进行了接触应力分析,所得出的结果和传统赫兹理论计算出的结果进行了对比,从而验证了在此处使用ANSYSY软件对大轴承滚柱进行接触应力计算的可行性。在此基础上引入滚柱母线进行修正方法,通过反复的模拟确定最佳凸度值,使得滚柱接触时边缘应力得到有效改善,以达到提高大轴承使用寿命的目的。
With the rapid development of urban underground track construction, as a special tunnel construction equipment, shield machine is widely used. The drive bearing is one of the key components of shield machine, which relies on import currently and the domestic research is still in its primary stage. The studies of design theory and methods on 3-row roller bearing are as following:
This article concludes the traditional bearing design theory and modern bearing design method. Through comparison between traditional design method and modern design method, it is concluded that the use of modern design method in bearing design is necessary. Especially, for large-scale bearing used in specific conditions such as large bearing of shield machine, as no standard could be referred in its structural parameter, traditional design theory of bearing life shall be effectively combined with modern optimized method in design process.
By shield cutting wheel drive system structure and working principle, the detailed analysis of driving force has been made by the study target of 3-row roller bearing which is widely used in foreign shield. The parameter optimization model is established by the combination of bearing's force characteristics of shield and design method. Chengdu metro is as the case of solving the optimization problem by MATLAB. The result shows that the method can be effectively define the number and size of the bearing which has positive influence on the study of domestic production of bearings.
The comparison of the result of the contact stress analysis of the roller and raceway contact area by ANSYS and the calculated result by traditional Hertz theory verifies the feasibility of 3-row roller bearing contract stress calculation by ANSYSY software, In order to improve bearing's service life, an amendment method of roller is introduced and the best degree of convexity is defined by repeated simulation which makes the edge stress has been effectively improved.
论文首先对传统的轴承设计理论与现代设计方法进行分析研究。通过传统设计方法与现代设计方法的比较,得出在轴承设计中运用现代设计方法的必要性。特别是像盾构机大轴承这种用于特定场合的大型轴承,其结构参数一般没有标准可以参考,设计过程中应有效地将传统轴承寿命设计理论与现代优化方法相结合。
针对盾构刀盘驱动系统结构和工作原理,对驱动大轴承的受力情况进行详细的分析。以目前国外盾构机普遍采用的三排滚柱式大轴承作为研究对象,结合盾构机大轴承受力特点和大轴承设计方法建立其结构主参数化优化模型。并以成都地铁作为案例运用MATLAB进行大轴承主参数优化求解。结果表明通过该方法能够有效确立大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。
最后运用ANSYS软件对滚柱和滚道接触部位进行了接触应力分析,所得出的结果和传统赫兹理论计算出的结果进行了对比,从而验证了在此处使用ANSYSY软件对大轴承滚柱进行接触应力计算的可行性。在此基础上引入滚柱母线进行修正方法,通过反复的模拟确定最佳凸度值,使得滚柱接触时边缘应力得到有效改善,以达到提高大轴承使用寿命的目的。
With the rapid development of urban underground track construction, as a special tunnel construction equipment, shield machine is widely used. The drive bearing is one of the key components of shield machine, which relies on import currently and the domestic research is still in its primary stage. The studies of design theory and methods on 3-row roller bearing are as following:
This article concludes the traditional bearing design theory and modern bearing design method. Through comparison between traditional design method and modern design method, it is concluded that the use of modern design method in bearing design is necessary. Especially, for large-scale bearing used in specific conditions such as large bearing of shield machine, as no standard could be referred in its structural parameter, traditional design theory of bearing life shall be effectively combined with modern optimized method in design process.
By shield cutting wheel drive system structure and working principle, the detailed analysis of driving force has been made by the study target of 3-row roller bearing which is widely used in foreign shield. The parameter optimization model is established by the combination of bearing's force characteristics of shield and design method. Chengdu metro is as the case of solving the optimization problem by MATLAB. The result shows that the method can be effectively define the number and size of the bearing which has positive influence on the study of domestic production of bearings.
The comparison of the result of the contact stress analysis of the roller and raceway contact area by ANSYS and the calculated result by traditional Hertz theory verifies the feasibility of 3-row roller bearing contract stress calculation by ANSYSY software, In order to improve bearing's service life, an amendment method of roller is introduced and the best degree of convexity is defined by repeated simulation which makes the edge stress has been effectively improved.
引文
[1]张凤祥,朱合华,付德明.盾构隧道[M].人民交通出版社,2004：92-119
[2]陈馈,李建斌.盾构国产化及其市场前景分析[J].建筑机械化.2006：59-64
[3]陈馈.国产盾构开发与产业化前景浅析[J].建筑机械化.2005,(10)：43-47
[4]崔国华,王国强,何恩光,张英爽.盾构机的研究现状及发展前景.矿山机械.2006(6)：24-27
[5]杜海若,黄松和,管会生,黄长礼.工程机械概论[M].西南交通大学出版社.2004：204-232
[6]祝燮权.实用滚动轴承手册[M].上海：上海科学技术出版社,2002
[7]中国轴承工业协会.国外轴承工业要览[J].轴承工业,2002,(4)：37-42
[8]Obbins R.J(1988).Tunnel Boring Machine for High Water Inflows. Proceeding Interanational Tunneling association Conference Madrid Spainjune, Vol.1:581-587
[9]Obbins R.J(1988).Tunnel Boring Machine for Use with NATM.Felsbau,6:57-63
[10]著委员会.岩石隧道掘进机(TBM)施工及工程实例[M].北京：铁道出版社,2004：89-93
[11]刘冲.滚动轴承系统应用的现代设计方法[M].北京：海洋出版社,1993
[12]徐立民.回转支承[M].合肥：安徽科学技术出版社,1988
[13]孙冬梅,高成福.浅谈国产回转支承的现状和发展方向[J].建设机械技术与管理,2000,(5)：42-44
[14]中国轴承工业协会.国外轴承工业要览三[J].轴承工业,2002,(6)：41-48
[15]郑尚涛.滚动轴承的发展状况与应用[J].济南纺织化纤科技,2005,(1)：39-41
[16]李鉴恒.特大型轴承升级换代的探索与实践[J].轴承,1998,(10)：37-40
[17]刘武,吴双,文鉴恒.特大型轴承设计技术发展概述[J].轴承,2003,(9)：47-51
[18]陈继伟.轴承行业技术发展趋势[J].轴承工业，1995,(5)：37-38
[19]刘晓蔚.滚动轴承产品技术发展状况[J].轴承,1997,(1)：2-8
[20]王凤岐,张连洪,邵宏宇.现代设计方法[M].天津：天津大学出版社,2004：3-8,65-139
[21]刘云仙,严隽琪.滚动轴承的多目标优化设计[J].水利电力机械,1994,(2)：20-22
[22]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[D].西南交通大学博士论文,2007：76-94
[23]谢国龙.回转支承的选型分析计算[J].建筑机械化,2000,(2)：35-37
[24]李斯曼,哈斯巴根,韦根特.滚动轴承设计与应用手册[M].武汉：华中工学院出版社,1985
[25]刘天民,张奇.滚动轴承应用设计图集[M],北京：国防工业出版社,1991
[26]王长森.滚动轴承的分析方法[M].北京：机械工业出版社,1987
[27]陈铁鸣,王连明,王黎钦.机械设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2003
[28]濮良贵,纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社,2001
[29]林宏.适应两种工程条件下盾构机主要结构设计分析.建设机械技术与管.2008(11)：101
[30]张宣怀.机械设计[M].北京：高等教育出版社,1997,225
[31]翟守才,杜海若.转盘轴承力矩载荷下的变形计算[J].中国高新技术企业,2009(21)
[32]王沫然MATLAB与科学计算(第2版)[M].北京：电子工业出版社,2003
[33]郑又南,刘双发.新编滚动轴承应用技术手册[M].上海：上海科学技术出版社,1997
[34]李元科,等.机械设计手册4第39篇滚动轴承(第2版)[M].北京：机械工业出版社,2000
[35]王春香,等.MATLAB软件在机械优化设计中的应用研究[J].机械设计,2004,(7),52-54
[36]苏立樾,苏健.转盘轴承静载荷承载曲线的创建[J].轴承.2004,No.6
[37]建设部北京建设机械综合研究所.JG／T 68-1999.建筑机械用三排柱式回转支承[S].北京：中华人民共和国建设部,1999
[38]陈显志.盾构主驱动轴承有限元分析[D].吉林大学硕士学位论文,2009
[39]郑志坚,潘伶.基于ANSYS的推力滚子轴承接触分析[J].福州大学学报,2009
[40]苏翼林.材料力学[M].天津：天津大学出版社,2001
[41]Wilson E.A.,Parson B, Finite element analysis of elastic contactproblems using differential displacements[J].Int.J.Number.MethodsEng,1970,(2):387-395
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[43]Ohte S.,Finite element an alysis elastic contact problems[J].BullJSME,1973,(16):797-804
[44]Kakker.J.J,A survey of the mechanics of contact between solidsbodies[J].ZAMM,1977,(57):3-17
[45]Johnson K L,One hundred years of hertz contact[J].Proc.Instn. Mech.Eng,1982,(196):363-378
[46]王大力,孙立明,单服兵,徐浩.ANSYS在求解轴承接触问题中的应用[J].轴承,2002,(9)：1-4
[47]K.L.Johnson,接触力学(徐秉业等译),北京：高等教育出版社,1992
[48]杜静萍,葛宰林.圆柱滚子结构有限元分析及优化[J].设计与制造,2008
[49]小飒工作室.最新经典ANSYS及Workbench教程[M].北京,电子工业出版社,2004
[50]魏延刚,马文.圆柱滚子轴承滚子凸度量的有限元分析[J].轴承.2004
[51]Lundberg G,Palmgren A.Dynamic Capacity of RollingBearings[J].ActaPolytechnica Mechanical EngineeringSeries,Vol.1.No.3,Royal Swedish Academy of Engi-neering Sciences,Stockholm, Sweden,1947
[52]机械设计手册编委会.机械设计手册第一卷[M].北京：机械工业出版社,2004
[53]邓四二,贾群义.滚动轴承设计原理[M].北京：中国标准出版社,2008.：99-110
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