CN114970008A - 一种掘进机主轴承碟簧组的设计方法 - Google Patents

一种掘进机主轴承碟簧组的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种掘进机主轴承碟簧组的设计方法，属于轴承技术领域。掘进机主轴承碟簧组的设计方法包括：根据掘进机主轴承的工况参数和轴承结构参数计算副推力滚子的最大受力，将副推力滚子的最大受力视为碟簧组受到的力，然后根据副推力滚道的结构尺寸选定碟簧规格，根据选定规格的单片碟簧的负荷以及碟簧组受到的力设计碟簧数量和组合形式。由于力会通过滚动体传递到碟簧，因此本发明将副推力滚子的最大受力视为碟簧组受到的力，这样就给碟簧的具体选择提供了一个依据和前提，进而方便确定碟簧的规格、数量及组合形式，确保碟簧组的设计形式能够应对主轴承受到轴向载荷和倾覆力矩联合作用下产生的偏载荷，保证盾构机的正常工作。

Description

一种掘进机主轴承碟簧组的设计方法
技术领域
本发明涉及一种掘进机主轴承碟簧组的设计方法，属于轴承技术领域。
背景技术
近年来，随着我国基础建设的迅速发展，盾构机作为一种先进的隧道施工机械广泛应用。它一般安装于大型设备的关键部位，一旦发生故障会严重影响生产、相应的维修更换工作周期长，导致较大经济损失。若保证在特殊环境中安全、高效的工作，必须具有高可靠性。而盾构主轴承作为盾构机的关键基础零部件，承担盾构刀盘***与动力***之间的回转支承任务，其结构和受载情况复杂，容易产生较大的应力和变形影响盾构机的施工安全。
目前国内、外对于盾构主轴承的力学性能分析还没有较***的方法。由于盾构主轴承结构复杂，体积庞大，滚子数多，受载情况复杂，无法使用传统的轴承额定动、静载荷及疲劳寿命计算方法进行选型和设计。因工作过程中地层条件多，掘进机主轴承常受到由轴向载荷和倾覆力矩联合作用产生偏载荷，偏载荷作用下掘进机主轴承的安全性是设计和研究过程中必须考虑的问题。
对此，申请公布号为CN111734735A的中国发明专利申请公开了一种掘进机主轴承外圈及掘进机主轴承，外圈包括外圈本体和套圈滚道，外圈本体与套圈滚道配合的配合面设有凹槽，凹槽内嵌设有碟簧。还有一种类似的盾构机主轴承结构如图1所示，包括外圈、内齿圈7、滚动体、保持架等，外圈、保持架均为分体结构，外圈包括主推力外圈3，副推力外圈9、径向滚道外圈4，用螺栓联接固定在盾构机体上，主推力外圈3的内侧固定有主推力挡圈1。滚动体包括主推力滚子2、副推力滚子11、径向滚子8，主推力滚子2位于内齿圈7与主推力外圈3之间，外部设有主推力保持架5。径向滚子8位于内齿圈7与径向滚道外圈4之间，外部设有径向保持架6。副推力滚子11位于内齿圈7与浮圈12之间，外部设有副推力保持架10，浮圈12和副推力外圈9之间安装有碟簧13。
在进行掘进工作的过程中，当遇到软硬不均的地层时，通过碟簧13和浮圈12给副推力滚子11一个弹性支撑，从而对副推力滚子11的震动进行缓冲，防止内部受力过大而造成损坏，保证持续使用。当盾构机主轴承承受轴向力、径向力和倾覆力矩时，其中副推力滚子11同时承受中心轴向力Fa和倾覆力矩M，在联合载荷作用等效偏载荷下，使用单片碟簧13时，变形量和载荷值往往不能满足要求，故常用若干碟簧13以不同型式组合，以满足盾构机的使用要求。
然而，目前现有技术中并没有掘进机主轴承碟簧组的设计方法，通常是粗略的估选，后期还需要多次试验验证，因此有必要创立掘进机主轴承中碟簧组的设计方法，方便确定碟簧的规格、数量及组合形式，确保碟簧组的设计形式能够应对主轴承受到轴向载荷和倾覆力矩联合作用下产生的偏载荷，保证盾构机的正常工作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够方便确定碟簧的规格、数量及组合形式的掘进机主轴承碟簧组的设计方法。
为实现上述目的，本发明中的掘进机主轴承碟簧组的设计方法采用如下技术方案：
一种掘进机主轴承碟簧组的设计方法，根据掘进机主轴承的工况参数和轴承结构参数计算副推力滚子的最大受力，将副推力滚子的最大受力视为碟簧组受到的力，然后根据副推力滚道的结构尺寸选定碟簧规格，根据选定规格的单片碟簧的负荷以及碟簧组受到的力设计碟簧数量和组合形式。
上述技术方案的有益效果在于：本发明的设计方法首先根据掘进机主轴承的工况参数和轴承结构参数计算副推力滚子的最大受力，然后将副推力滚子的最大受力视为碟簧组受到的力，这样就给碟簧的具体选择提供了一个依据和前提；然后根据副推力滚道的结构尺寸选定碟簧规格，保证碟簧的直径与副推力滚道的结构尺寸匹配，而碟簧规格一旦确定，单片碟簧的负荷等参数即可确定，然后根据选定规格的单片碟簧的负荷以及碟簧组受到的力设计碟簧数量和组合形式，不同组合形式(包括叠合组合、对合组合、复合组合等)下的碟簧数量及变形位移是不同的，根据具体的受力考虑以及轴承套圈本身的结构尺寸，选择碟簧组合形式并计算设计碟簧数量。
因此，利用本发明的设计方法可以方便确定碟簧的规格、数量及组合形式，确保碟簧组的设计形式能够应对主轴承受到轴向载荷和倾覆力矩联合作用下产生的偏载荷，保证掘进机的正常工作。
进一步地，上述工况参数包括轴向载荷Fa、径向载荷Fr、倾覆力矩M。
上述技术方案的有益效果在于：方便计算副推力滚子的最大受力。
进一步地，上述轴承结构参数包括主推力滚子、副推力滚子及径向滚子的滚动体总数量、滚动体尺寸和分布圆直径。
上述技术方案的有益效果在于：方便计算副推力滚子的最大受力。
进一步地，在选定碟簧规格时，选择碟簧的直径小于或等于副推力滚道宽度的一半。
上述技术方案的有益效果在于：避免碟簧直径过大而导致安装槽尺寸过大，影响副推力外圈的结构强度，同时避免碟簧直径过大而影响与浮圈的配合。
进一步地，在选定碟簧规格时，首先选出至少两种规格的碟簧，然后根据每一种选定规格的单片碟簧的负荷和碟簧组受到的力确定出每一种规格的碟簧数量及组合方式，最后根据轴承套圈的结构尺寸，选取合适规格的碟簧。
上述技术方案的有益效果在于：首先选出至少两种规格的碟簧，扩大备选范围，最后可以根据轴承套圈的结构尺寸，选取合适规格的碟簧，提高选用效率。
进一步地，选出三种规格的碟簧，A系列、B系列和C系列各一种。
上述技术方案的有益效果在于：备选范围更大、选择余地更多。
进一步地，在副推力外圈的碟簧安装槽内设置垫片，垫片位于碟簧和浮圈之间，垫片凸出于安装槽的凸出量大于或等于单片碟簧的变形量f。
上述技术方案的有益效果在于：通过垫片与浮圈配合，使碟簧组能够更好地与浮圈配合，且碟簧组的受力更均匀，同时垫片凸出于安装槽的凸出量大于或等于单片碟簧的变形量f，保证碟簧能够顺利变形。
进一步地，垫片凸出于安装槽的凸出量为1mm。
上述技术方案的有益效果在于：该凸出量的值可以满足大多数碟簧的变形需求，方便垫片尺寸的确定。
进一步地，选择碟簧组的组合形式为叠合组合，碟簧数量大于或等于碟簧组受到的力除以单片碟簧的负荷的值。
上述技术方案的有益效果在于：掘进机主轴承中的碟簧组主要是考虑受力效果，因此选用叠合组合，进而方便计算碟簧数量。
附图说明
图1为现有技术中盾构机主轴承结构的示意图；
图2为本发明中设计方法的流程图；
图3为本发明中设计方法的实施例1中碟簧选择的结果图。
图中：1、主推力挡圈；2、主推力滚子；3、主推力外圈；4、径向滚道外圈；5、主推力保持架；6、径向保持架；7、内齿圈；8、径向滚子；9、副推力外圈；10、副推力保持架；11、副推力滚子；12、浮圈；13、碟簧；14、垫片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，可能出现的术语如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，术语如“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”等限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步地详细描述。
本发明中掘进机主轴承碟簧组的设计方法的实施例1：本实施例中的掘进机为图1中所示的盾构机。设计方法的具体步骤如图2所示，首先第一步，确定盾构机主轴承的工况参数，工况参数包括轴向载荷Fa、径向载荷Fr、倾覆力矩M，以国内某型号盾构机为例，如表1所示。
表1某国产盾构机主轴承的工况参数
Figure BDA0003616619830000051
第二步，确定轴承结构参数，结合图1所示，轴承结构参数包括主推力滚子2、副推力滚子11及径向滚子8的滚动体总数量、滚动体尺寸和分布圆直径，如表2所示。
表2某国产盾构机主轴承的结构参数
参数 主推力滚子 副推力滚子 径向滚子
滚动体总数量(个) 210 150 220
滚动体尺寸(mm) Φ100×100 Φ70×70 Φ50×80
分布圆直径(mm) Φ4265 Φ4400 Φ4540
第三步，根据确定的工况参数和轴承结构参数计算副推力滚子11的最大受力，计算出副推力滚子最大滚动体负荷Q＝17127N。具体的计算方法为现有技术，例如李云峰的论文《三排滚子转盘轴承的校核计算方法》(《中国机械工程》2018年第3期)中公开的计算方法，或者是张涛的论文《偏载荷作用下盾构机主轴承安全性研究》(《机械工程与自动化》2021年第3期)中公开的计算方法，具体计算过程本发明中不再详述。
根据轴承结构可知，力通过滚动体传递到碟簧，因此将计算出的副推力滚子的最大受力视为碟簧组受到的力，这样就给碟簧的具体选择提供了一个依据和前提，否则因不清楚碟簧组的受力，无法进行后续的计算和选择。
第四步，根据副推力滚道的结构尺寸选定碟簧规格，保证碟簧的直径D与副推力滚道的结构尺寸匹配。对于外圈来说，副推力滚道也即图1中浮圈12的朝向副推力滚子11的侧面，副推力滚道宽度为H＝96，选择碟簧13的直径小于或等于副推力滚道宽度的一半，也即D≤H/2，因此根据《GB/T 1972-2005碟形弹簧》可选碟簧直径D＝45，选出三种规格的碟簧，A系列、B系列和C系列各一种，分别是A45、B45、C45。
第五步，根据每一种选定规格的单片碟簧的负荷和碟簧组受到的力确定出每一种规格的碟簧数量及组合方式。碟簧的组合形式包括叠合组合、对合组合、复合组合等，不同组合方式下的碟簧数量及变形位移是不同的，由于本发明中主要考虑的是碟簧组的受力，因此选择叠合组合，而对合组合更多关注的是位移。根据《GB/T 1972-2005碟形弹簧》，不同规格单片碟簧对应的负荷F和变形量f如表3所示。
表3不同规格单片碟簧对应的负荷F和变形量f
系列 A45 B45 C45
F/N 7720 3660 1890
f/mm 0.75 0.98 1.65
因此，在确定的叠合组合方式下，碟簧数量应大于或等于碟簧组受到的力除以单片碟簧的负荷的值，也即碟簧数量n≥Q/F，即：
如果选择A45规格，n≥17127/7720＝2.21，n取3；
如果选择B45规格，n≥17127/3660＝4.67，n取5；
如果选择C45规格，n≥17127/1890＝9.06，n取10。
最后，根据轴承套圈的结构尺寸，选取合适规格的碟簧，如果需要安装的碟簧数量比较多，则要求副推力外圈9有足够的尺寸，本实施例中根据上述某型号盾构机的轴承套圈结构尺寸，选取3个A45规格碟簧进行叠合组合。如图3所示，在副推力外圈9的碟簧安装槽内设置垫片14，垫片14位于碟簧13和浮圈12之间，使碟簧组的受力更均匀，同时垫片14凸出于安装槽的凸出量大于或等于单片碟簧的变形量f，保证碟簧能够顺利变形。由于本实施例中选择A45规格，因此垫片14的凸出量取1mm。
至此，完成某型号盾构机主轴承碟簧组的设计，利用本发明的设计方法可以方便确定碟簧的规格、数量及组合形式，确保碟簧组的设计形式能够应对主轴承受到轴向载荷和倾覆力矩联合作用下产生的偏载荷，保证盾构机的正常工作。
在掘进机主轴承碟簧组的设计方法的其他实施例中：本发明的设计方法也适用于硬岩岩石隧道掘进机(TBM)。
在掘进机主轴承碟簧组的设计方法的其他实施例中：若最终选择B45规格的碟簧，那么垫片凸出于安装槽的凸出量可以取1.2mm或1.3mm；若最终选择C45规格的碟簧，那么垫片凸出于安装槽的凸出量可以取1.9mm或2mm。
在掘进机主轴承碟簧组的设计方法的其他实施例中：可以不设置垫片，碟簧直接与浮圈接触。
在掘进机主轴承碟簧组的设计方法的其他实施例中：在选定碟簧规格时，可以选出两种规格的碟簧作为备选，或者先选出一种，不合适的话再进行调换。
在掘进机主轴承碟簧组的设计方法的其他实施例中：在选定碟簧规格时，若尺寸合适，碟簧的直径也可以等于副推力滚道宽度的一半，当然如果小于或等于副推力滚道宽度的一半没有合适的可选值，也可以选择稍稍大于副推力滚道宽度一半的尺寸。
在掘进机主轴承碟簧组的设计方法的其他实施例中：根据不同的计算方法，所需要的掘进机主轴承的工况参数和轴承结构参数可能有所不同，但这些工况参数和轴承结构参数都属于现有资料，根据需要选择确定即可。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种掘进机主轴承碟簧组的设计方法，其特征在于：根据掘进机主轴承的工况参数和轴承结构参数计算副推力滚子的最大受力，将副推力滚子的最大受力视为碟簧组受到的力，然后根据副推力滚道的结构尺寸选定碟簧规格，根据选定规格的单片碟簧的负荷以及碟簧组受到的力设计碟簧数量和组合形式。
2.根据权利要求1所述的掘进机主轴承碟簧组的设计方法，其特征在于：上述工况参数包括轴向载荷Fa、径向载荷Fr、倾覆力矩M。
3.根据权利要求1或2所述的掘进机主轴承碟簧组的设计方法，其特征在于：上述轴承结构参数包括主推力滚子、副推力滚子及径向滚子的滚动体总数量、滚动体尺寸和分布圆直径。
4.根据权利要求1或2所述的掘进机主轴承碟簧组的设计方法，其特征在于：在选定碟簧规格时，选择碟簧的直径小于或等于副推力滚道宽度的一半。
5.根据权利要求1或2所述的掘进机主轴承碟簧组的设计方法，其特征在于：在选定碟簧规格时，首先选出至少两种规格的碟簧，然后根据每一种选定规格的单片碟簧的负荷和碟簧组受到的力确定出每一种规格的碟簧数量及组合方式，最后根据轴承套圈的结构尺寸，选取合适规格的碟簧。
6.根据权利要求5所述的掘进机主轴承碟簧组的设计方法，其特征在于：选出三种规格的碟簧，A系列、B系列和C系列各一种。
7.根据权利要求1或2所述的掘进机主轴承碟簧组的设计方法，其特征在于：在副推力外圈的碟簧安装槽内设置垫片，垫片位于碟簧和浮圈之间，垫片凸出于安装槽的凸出量大于或等于单片碟簧的变形量f。
8.根据权利要求7所述的掘进机主轴承碟簧组的设计方法，其特征在于：垫片凸出于安装槽的凸出量为1mm。
9.根据权利要求1或2所述的掘进机主轴承碟簧组的设计方法，其特征在于：选择碟簧组的组合形式为叠合组合，碟簧数量大于或等于碟簧组受到的力除以单片碟簧的负荷的值。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115355247A (zh) * 2022-08-31 2022-11-18 陕西法士特齿轮有限责任公司 一种推力滚针轴承总成及变速器

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