TBM滚刀轴承力学分析与结构优化

论文摘要

在隧道和地下工程施工中,全断面岩石隧道掘进机(TBM)具有自动化程度高、安全高效和在超长隧道中连续作业的特点,代表了当代隧道掘进技术的发展方向。在TBM施工中,主要的破岩工具是盘形滚刀。通过大量工程施工实践的证明,刀具损坏严重是影响掘进效率的最重要因素。而在刀具损坏中,滚刀轴承的损坏又是其最常见的损坏形式。本文首先对盘形滚刀的结构及破岩机理进行简单的介绍,然后利用科罗拉多矿业学院滚刀受力的力学公式对滚刀轴承进行基本的性能分析。在此基础上,我对滚刀轴承进行一个由内到外的结构优化设计。首先利用数据优化软件对滚刀轴承内部结构主参数进行优化。选取轴承的基本额定动载荷作为优化目标,利用已有的约束条件对其主参数进行优化；然后在加载的情况下对滚刀轴承滚子两端不同的圆弧度和凸度量进行分析,得到不同载荷下滚子最优的圆弧度和凸度量,为滚刀轴承的设计提供了一定依据；最后利用Ansys Workbench软件,分析滚刀轴承内外圈安装过盈量对其初始游隙的影响,并在此基础上得到了工作游隙对滚刀轴承摩擦力矩与寿命的影响,为滚刀轴承的在设计游隙和装配时提供一定参考和帮助。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 TBM隧道掘进机
• 1.2 TBM滚刀轴承损坏概况
• 1.3 滚刀轴承国内外研究现状
• 1.4 论文的主要研究目的和内容
• 2 滚刀轴承性能分析
• 2.1 盘形滚刀破岩机理简介
• 2.2 盘形滚刀受力分析
• 2.3 滚刀轴承性能分析
• 2.3.1 滚刀轴承寿命影响因素分析
• 2.3.2 滚刀轴承摩擦力矩影响因素分析
• 2.4 本章小结
• 3 滚刀轴承结构优化设计
• 3.1 滚刀轴承结构主参数
• 3.2 滚刀轴承优化设计目标
• 3.3 滚刀轴承优化设计变量
• 3.4 滚刀轴承优化设计约束条件
• 3.5 滚刀轴承优化实例
• 3.6 本章小结
• 4 滚刀轴承滚子修形设计
• 4.1 滚子修形简介
• 4.2 直母线滚子倒角分析
• 4.2.1 滚刀轴承模型选取
• 4.2.2 模型网格灵敏度分析
• 4.2.3 滚刀轴承有限元设置
• 4.2.4 滚刀轴承最大载荷滚子受力计算
• 4.2.5 滚刀轴承滚子倒角优化设计
• 4.2.6 优化前后滚子受力比较
• 4.2.7 不同载荷对滚子倒角的影响
• 4.3 滚子凸度修形设计
• 4.3.1 滚子凸度设计简介
• 4.3.2 滚刀轴承滚子凸度量设计
• 4.3.3 滚刀轴承凸度量设计结果
• 4.4 本章小结
• 5 游隙对滚刀轴承性能影响
• 5.1 滚动轴承游隙简介
• 5.1.1 滚刀轴承游隙的分类
• 5.1.2 滚刀轴承安装游隙的作用
• 5.2 过盈量对滚刀轴承游隙影响
• 5.2.1 安装正游隙时过盈量与游隙的关系
• 5.2.2 安装负游隙时过盈量与游隙的关系
• 5.3 工作游隙对滚刀轴承摩擦力矩的影响
• 5.3.1 滚刀轴承摩擦力矩
• 5.3.2 滚刀的三维建模和简化
• 5.3.3 滚刀有限元设置
• 5.3.4 滚刀轴承摩擦力矩求解
• 5.4 工作游隙对滚刀轴承疲劳寿命的影响
• 5.4.1 滚刀轴承疲劳概述
• 5.4.2 基于Ansys Workbench滚刀轴承疲劳分析
• 5.4.3 滚刀轴承疲劳计算结果
• 5.5 设计实例
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢