1、第 卷 第期佳 木 斯 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年 月 （）文章编号：（）盾构机回转支承疲劳寿命试验台研制姜阔胜，章力，郑文杰（安徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南 ；深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 ）摘要：为解决盾构机回转支承疲劳寿命试验因耗时长所带来的能量损耗巨大的问题，研制了一种盾构机回转支承疲劳寿命试验台。建立了试验台的三维模型，并阐述了该实验台中分布式的机械功率封闭式结构及原理。通过对试验台的传动仿真分析，验证了在空载和带载工况下驱动单元只是使试验台能够以一定转速运转。通过空载和带载台架试验，评估在不同试验扭矩下试验台的节能效果。试验结果表明，该疲劳
2、寿命试验台能够实现节能，可为回转支承的疲劳寿命试验提供有效参考。关键词：分布式；机械功率封闭；回转支承；疲劳寿命中图分类号：文献标识码：引言盾构机作为高端智能制造装备，广泛应用于矿山、铁路、地铁、公路等诸多隧道掘进工程中。盾构机回转支承连接着刀盘系统与动力系统，疲劳是其常见失效模式之一，。盾构机中的回转支承设计使用寿命需要满足 到 。如果在其使用寿命内出现一些故障，将会造成生产停滞，甚至导致安全生产事故。目前，已有一些针对回转支承的专用疲劳寿命实验设备。例如，法国图卢兹 实验室的回转支承试验平台，能够进行静载荷试验。在试验过程中，试验荷载仅涉及一定比例的荷载轴向力和倾覆力矩，不能模拟复杂的负载
3、条件，。和 开发了一种小型回转支承测试平台，能够进行单一规格（）的复杂加载试验。等人提出了一种加速疲劳寿命试验方法及专用试验台，该实验台能真实反映回转支承在实际工况下的状态。基于上述分析，提出了一种盾构机回转支承节能疲劳寿命试验台。该试验台采用分布式的机械功率封闭式结构组成，能够模拟盾构机在实际过程中的回转支承运行状态。将动态工况载荷封闭在系统内，能有效的降低在进行疲劳寿命试验过程中的能耗。试验台方案设计基本结构设计盾构机回转支承节能疲劳寿命试验台的总体结构设计三维图如图所示，主要由驱动单元、多平行轴、齿轮箱、加载单元等组成。回转支承是本试验台的试验件。图回转支承节能疲劳寿命试验台结构驱动单元
4、由四个驱动电机和与之连接的四个减速器组成。在试验台工作过程中，各驱动电机需要同步同速运行，因此选择伺服电机为系统提供动力。回转支承实际运行转速通常在 范围内，通过控制伺服电机的转速使得减速器输出收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；国家重点研发计划项目（）；载运工具与装备教育部重点实验室（）。作者简介：姜阔胜（），男，山东威海人，副教授，博士，研究方向：机械设备状态监测与故障诊断分析、智能视觉检测、智能仪器与虚拟仪器设计等。第期姜阔胜，等：盾构机回转支承疲劳寿命试验台研制轴转速在此范围内，以达到试验要求。齿轮箱的四组输入轴另一端通过联轴器与四个平行轴刚性连接，平行轴的另一端分别连接
5、四组驱动齿轮，四组驱动齿轮与回转支承啮合。齿轮箱输出轴通过联轴器与扭矩转速传感器一端连接。加载单元由加载电机、减速器和连接板组成。加载电机与减速器、减速器外壳与连接板分别通过螺栓连接，连接板通过高强度的螺纹杆与回转支承内齿圈连接，即实现了加载电机、减速器、连接板和回转支承内齿圈之间的刚性连接。加载单元中的减速器输出轴通过轴与扭矩转速传感器的另一端连接。加载扭矩的方法是：控制加载电机输出轴旋转一 个与轴旋转方向相反的角度，当旋转的角度所对应的加载扭矩达到试验扭矩时，加载电机自锁，即实现了加载作用。试验台动力传输的结构立体图如图所示，由组动力封闭式结构组成。以其中一组闭式结构为例，介绍动力传输路线
6、。驱动系统产生的动力一方面通过齿轮箱输入轴传输到齿轮，齿轮通过与齿轮啮合将动力传输到齿轮，齿轮通过与齿轮啮合将动力传输到齿轮，再通过与齿轮配合的齿轮箱输出轴输出至扭矩转速传感器主轴，再通过轴传输至加载单元的减速器输出轴。另一方面齿轮箱输入轴将动力通过轴传递到驱动齿轮上，进而传递到回转支承上，驱动回转支承转动。加载单元与回转支承刚性连接，形成闭合动力系统，即实现了试验台的顺利运行。图动力传输的结构立体图试验时，设定不同的运行工况，通过安装在试验台上的各传感器采集驱动电机电流信号、扭矩信号、转速信号、回转支承的电涡流信号以及振动信号从而为回转支承疲劳寿命研究提供可靠的工程数据。测控系统设计如图所示
7、的试验台测控系统框图，主要由上位机、采集卡、传感器、下位机、光耦隔离模块以及信号处理模块等组成。上位机为 端，通过 采集卡采集传感器测得的特征信号。下位机采用的是 公司的 系列的 芯片作为主控制器 ，对整个试验台的电控部分进行控制。能够控制各驱动电机同步、同速运转，并且能够实现加载电机的精确加载力矩，极大程度上提高了试验台可靠性及稳定性。如图所示的测控系统操控界面，所设计的测控系统软件用 开发，在软件中实现数据的实体化和显示。图试验台测控系统框图图测控系统操控界面图疲劳寿命试验台等效结构简图图试验系统功率流方向试验台原理机械功率封闭原理盾构机回转支承疲劳寿命试验台的总体结构三维图如第节中的图所
8、示，试验台由分布式机械功率封闭结构构成。该试验台的等效结构简图如图所示。以其中两组机械功率封闭结构为例，阐佳 木 斯 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年述试验台原理。图中，和，和，和，和，和，和是六组齿轮传动。其中，是回转支承。加载装置固定在回转支承内圈上。用轴、轴，通过扭矩转速传感器将齿轮与加载装置主轴连接起来。驱动电机提供系统动力。齿轮，、回转支承和轴、轴、轴、轴以及加载装置构成第一组封闭结构；齿轮，、回转支承和轴、轴、轴、轴以及加载装置构成第二组封闭结构。因此，试验台正常运转应满足系统的总传动比为，即：（）为给系统加上载荷，可以通过加载装置、轴和扭矩转速传感器的共同作用产生扭矩。由于
9、试验台由四组封闭结构构成，通过封闭传动链，使得轴和轴加上了扭矩。因此封闭系统中有加载装置所施加的封闭扭矩。驱动电机使封闭系统以角速度运转，系统将伴随着功率的传递。在封闭系统中，轴上存在循环传递的功率。即：（）其中，表示为循环功率或封闭功率，具有功率的量纲。其不是由外力所产生的功率提供的，也不可能输出到封闭系统之外。循环功率也不是驱动电机提供的，驱动电机提供的功率用于补偿封闭系统内摩擦损耗的功率。系统功率流的流动方向试验过程中，扭矩的加载方向和驱动电机的转向共同决定了功率流的流向。齿轮和齿轮受到的力矩，的方向与转动角速度，方向相反。因此齿轮和齿轮是主动齿轮。齿轮受到的力矩的方向与转动角速度相同，
10、故为主动齿轮。功率流流向从主动齿轮流向从动齿轮。当力矩方向不变而改变转动方向，或转动方向不变而改变力矩方向时，封闭功率的流动方向将随之改变。同时改变转动方向和力矩方向，则主动齿轮不变，封闭功率流动方向不变。驱动电机输入转速 驱动电机输入转速 图不同工况载荷下各主要部件功率试验台仿真分析仿真模型基本信息为分析疲劳寿命试验台功率流，建立系统动力学模型。因此选择 软件对试验台进行动力学仿真分析。试验台基本参数为：驱动单元的减速器减速比是，齿轮 与齿轮的齿数比是：，加载齿轮与回转支承的齿数比是：。润滑剂采用 航空润滑脂。仿真模型图使用第节中图所示的动力传输的结构立体图。试验台仿真运行工况如表所示表试验
11、台仿真运行工况工况加载扭矩（）运行时间 在 中完成模型的搭建后，设置零部件材料属性，定义载荷工况和载荷谱。分别进行驱动电机输入转速为 和 的仿真分析，由于与驱动电机相连的减速器的减速比为，因此在设置载荷工况时，施加到齿轮箱四根输入轴上的转速为驱动电机输入转速的。仿真结果及分析系统在不同载荷工况下的仿真结果如图所示，为轴上的功率，为轴上的功率，为轴上的功率，为轴上的功率，为加载单元与回第期姜阔胜，等：盾构机回转支承疲劳寿命试验台研制转支承固连部分的功率，为轴 上的功率。通过仿真结果可知：（）轴上的功率即为系统的封闭功率。随着系统的运转，轴 上的功率始终在系统内周而复始地循环传递。因此在带载工况下
12、，系统内的试验功率（即封闭功率）并不是由驱动单元提供的，驱动单元只是使试验台能够以一定的转速运转。并且在驱动电机输入转速不变的情况下，通过改变加载单元施加的力矩大小就可以改变封闭功率的大小，这就使得在试验过程中系统内可以有很大的封闭功率。图疲劳寿命试验台试验系统图动态数据拟合曲线疲劳寿命试验台的试验评价为了评估疲劳寿命试验台的节能性能，根据第节中的三维结构图搭建试验系统。试验系统如图所示。驱动电机和加载电机均采用伺服电机，试验回转支承齿数为，电流钳（输出信号比 ）在控制柜内，用于测定驱动电机总电流，扭矩转速传感器测量实际加载扭矩。在实验过程中，先将系统中的间隙消除，然后加载电机加载到试验扭矩并
13、自锁，随后启动驱动电机，即可得到疲劳寿命试验台的封闭功率。采用 位分辨率的 数据采集卡采集试验的电流信号和扭矩信号。试验数据如表所示。在驱动电机转速为 时，改变加载电机的加载扭矩，测量四组驱动电机的总电流。表试验数据驱动电机转速 加载扭矩 电流 实验结果如图所示，当改变加载扭矩时，驱动电机总电流变化不大，即驱动系统所消耗的功率变化不大，因此试验功率与驱动电机提供的功率无关。结语盾构机回转支承节能疲劳寿命试验台与现有的疲劳寿命试验台不同，该实验台能够在长时间的疲劳寿命实验过程中达到节能的效果。试验扭矩通过加载电机加载，可以实现回转支承在低速大载荷下的疲劳寿命试验。为盾构机回转支承的疲劳寿命试验提
14、供有效参考。在实际使用该试验台过程中应注意以下几点：）试验台动力传递主要是通过齿轮传动完成，因此需要在试验开始前稳定运行一段时间，以消除系统中的间隙。）试验过程中，需要严格保证驱动单元各驱动电机同步同速运行。）试验台需进行日常维护。参考文献：代春茹，许孝龙复合地层的盾构机刀盘设计中国重型装备，（）：何友谊三参数下 疲劳寿命分布的统计分析佳木斯大学学报（自然科学版），（）：戴永奋，高盟，刘荣，等三排滚柱式回转支承疲劳寿命分析机械设计与制造，（）：黄龙艺，王华，嵇栩回转支承疲劳寿命计算及其试验验证煤矿机械，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：李喜梅，容一鸣机械式封闭功率流试验台原理机械研究与应用
15、，（）：王爽，胡冬旭基于 的分布式测控装置设计与应用国外电子测量技术，（）：（下转 页）佳 木 斯 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年形貌的纳米纤维膜的速率？（）如何对材料进行优化改良，提高材料的生物成骨性能，为后期在骨修复领域的应用做准备？结语本开放 性 实 验 使 用 静 电 纺 丝 技 术 制 备 出 纳米纤维膜，并对其作为骨修复领域支架材料的成骨性能进行研究。通过该开放性实验，不仅可以激发学生自主学习的热情，拓宽学生视野，还可以通过实践培养其动手能力。学生通过自学和教师指导，掌握 和 等图像及数据处理软件的使用，以撰写科技论文的形式完成实验报告，有助于学生科研精神的培养。参考文献：庄文芹，成孝刚，刘峰，等 高校实验室开放模式与创新人才培养的探究 实验室科学，（）：温青，杨乐敏，余家瑜，等 高校院系化学类开放实验室的运行与管理探讨 实验室科学，（）：，：，（）：程丝，孙君静电纺丝实验教学课程的设计及探索实验室科学，（）：，：，；，（）：，：，：，：，（）：（），（，）：，（）：；（）；（上接 页），（，；，）：，：；
