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磨损—疲劳复合损伤下的TBM主轴承寿命研究

磨损—疲劳复合损伤下的TBM主轴承寿命研究

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作者：安劭侠大连理工大学

学位级别：硕士

全断面硬岩掘进机(TBM)作为隧道施工的一大利器,在铁路、引水工程和城市建设中得到广泛应用。而主轴承作为TBM的重要部件,在恶劣的服役环境下发生的失效形式主要为磨损和疲劳,两者相互影响,但目前主轴承的寿命研究只关注单一的失效形式... 详细信息

全断面硬岩掘进机(TBM)作为隧道施工的一大利器,在铁路、引水工程和城市建设中得到广泛应用。而主轴承作为TBM的重要部件,在恶劣的服役环境下发生的失效形式主要为磨损和疲劳,两者相互影响,但目前主轴承的寿命研究只关注单一的失效形式,造成其寿命预测精度低。因此,开展TBM主轴承在磨损和疲劳复合损伤下的寿命研究尤为重要。本文结合TBM主轴承的实际服役工况特点,探明复合失效形式下主轴承的失效机理,建立考虑磨损-疲劳复合损伤的TBM主轴承寿命预测模型,进而对主轴承的结构参数和滚子修形进行优化。本文的主要研究内容如下:(1)考虑强冲击下的TBM主轴承工况载荷研究:基于某引水工程,根据TBM刀盘滚刀布置、掘进地质参数等信息,利用CMS和秋三藤三郎滚刀破岩模型计算了滚刀的三向载荷,借助ANSYS建立多工况下的TBM刀盘-主轴承力流静力学模型,得到主轴承的初始载荷,并与实际监测数据进行对比验证,进而考虑TBM承受强冲击的载荷特点,采用冲击载荷系数对初始载荷进行修正得到多工况下主轴承的工况载荷。(2)TBM主轴承载荷分布与应力分析:从考虑套圈变形的角度,利用非线性弹簧代替滚子实体建立的主轴承有限元模型与基于变形协调关系和赫兹理论建立的理论模型,分别得到主轴承载荷分布并进行对比分析。进一步通过有限元分析了单个主推滚子的接触应力分布,并与赫兹理论结果对比。结果表明,基于有限元法得到的载荷分布和接触应力误差分别为10.7%和-2.59%,均验证了有限元分析的准确性。(3)磨损-疲劳复合损伤下的TBM主轴承寿命模型:针对主轴承磨损与疲劳并存的失效特点,本文探明了主轴承在疲劳损伤过程中的磨损影响失效机制。采用考虑粗糙度的Archard理论和连续损伤力学建立了主轴承磨损-疲劳复合损伤的寿命模型,基于MATLAB和APDL的协同计算平台完成了主轴承的疲劳寿命评估,与L寿命进行对比。结果表明,磨损改变了应力分布,导致接触应力和正交切应力分别增加17.25%和21.47%,而寿命为18041h,误差为15.25%,具有较高的准确性。(4)TBM主推轴承的结构参数优化和修形设计:针对目前主轴承服役寿命低的问题,本文以接触应力为优化目标,分析游隙参数影响规律,采用遗传算法建立主推轴承结构参数的多目标优化模型进而完成结构参数的优化,通过滚子的修形设计改善接触应力分布不匀的现象。结果表明,优化后的主轴承最佳游隙为-0.08mm,接触载荷下降了18.65%,接触应力降低了22.08%。

关键词： TBM主轴承工况载荷磨损-疲劳复合损伤寿命预测优化设计

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