摘要
在“百年未有之大变局”的当今社会，城市建设、铁路建设、水利工程的需求高速扩张，全断面硬岩掘进机（TBM）作为隧道建设核心设备已经得到广泛应用。由于TBM施工环境恶劣，在长期复杂动态激励载荷的作用下，被称为“TBM心脏”的主轴承发生损坏会影响施工安全与施工进度。主轴承的主要损伤方式为疲劳剥落，在工作过程中因磨损导致主轴承形貌发生变化，加快轴承疲劳损伤。针对现有问题，分析复杂岩层下磨损、润滑等因素对主轴承疲劳寿命的影响，建立疲劳损伤模型，提高主轴承服役寿命预测的准确性。搭建主轴承数字化寿命平台，简化预测。本文主要研究内容如下: （1）考虑复杂岩层下主轴承动态载荷研究：基于实际工程建立复杂岩层模型，考虑滚刀布置、贯入度、刀间距、刀盘转速等参数，通过滚刀破岩有限元仿真分析得到滚刀三向载荷。以滚刀动态载荷为输入，建立刀盘复合载荷模型得轴承动态载荷。统计分析时间历程载荷得到多级主轴承载荷谱。 （2）主轴承载荷分布分析：考虑轴承内外圈位移与滚子变形，基于赫兹理论分析主轴承载荷分布机理。利用非线性弹簧代替主轴承滚子建立有限元模型。搭建主轴承物理实验平台，并监测主轴承外圈应变，对比有限元分析结果，误差均小于13%，验证主轴承载荷分布分析的准确性。 （3）主轴承疲劳寿命模型：分析主轴承失效机制，建立疲劳寿命损伤模型。主轴承疲劳寿命由正交切应力决定，为保证应力分布结果准确性，对滚子进行多级加载试验，有限元分析结果与实验监测结果相对误差小于 5%，验证所使用有限元分析模型的准确性。基于Archard理论考虑磨损对主轴承应力分布的影响，建立考虑磨损影响的疲劳损伤理论预测主轴承寿命。 （4）主轴承数字化服役寿命平台：搭建大型掘进机主驱动轴承数字化寿命平台，通过虚拟动态环境对物理试验台的几何属性、物理属性、规则属性及行为属性等层次细节实现可视化动态逼真显示。建立虚拟环境中的数字化轴承实验平台，基于主驱动轴承各部件机械特性测试数据和同级别轴承物理试验平台先验数据，实现数字实体与物理实体的信息交互、评估主驱动轴承数字化寿命。
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