【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及機(jī)械工程材料和計(jì)算機(jī)應(yīng)用，具體涉及一種基于數(shù)值模擬結(jié)合疲勞試驗(yàn)的盾構(gòu)機(jī)滾刀軸承保養(yǎng)周期預(yù)測方法。
技術(shù)介紹
1、隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)逐漸加快腳步，地鐵以及各種穿山隧道的分布變得越發(fā)密集。盾構(gòu)機(jī)是目前開挖各種隧道最重要、最有效亦是最先進(jìn)的技術(shù)手段，盾構(gòu)機(jī)的工作模塊大致可分為三塊，分別為“掘進(jìn)模塊”、“盾構(gòu)支護(hù)模塊”以及“渣土運(yùn)出模塊”，“掘進(jìn)模塊”是盾構(gòu)機(jī)的“牙齒”，由液壓系統(tǒng)和刀盤組成，工作時(shí)液壓系統(tǒng)向前推動(dòng)刀盤，同時(shí)刀盤繞自身旋轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，在刀盤上分布有多個(gè)滾刀軸承單元，滾刀軸承單元上安裝的滾刀依靠刀盤提供的推進(jìn)力及自身在摩擦力作用下的自轉(zhuǎn)，擠壓、切割破碎巖石；隨后，“盾構(gòu)支護(hù)模塊”將預(yù)制水泥板安裝在開挖好的隧道壁上，形成支護(hù)；掘進(jìn)同時(shí)，貫穿于整個(gè)盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部的“渣土運(yùn)出模塊”也在工作，將掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的渣土運(yùn)出隧道外。
2、相較于其他隧道開掘方式，盾構(gòu)機(jī)效率極高，一天可掘進(jìn)8～10米，中國目前已是最大的盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)和使用國，盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)制造能力居于世界頂尖行列，但目前，盾構(gòu)機(jī)仍有許多技術(shù)難點(diǎn)未攻克，例如在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中滾刀軸承單元壽命預(yù)測問題。
3、由于盾構(gòu)機(jī)工作環(huán)境十分復(fù)雜(不同的項(xiàng)目工程將面臨不同的施工土壤)，且不同項(xiàng)目要求的盾構(gòu)機(jī)直徑差別較大，從5米到15米不等，不同的盾構(gòu)機(jī)之間，滾刀軸承的排布方式又不盡相同，再加上各個(gè)滾刀軸承供應(yīng)廠商采用不同的材料和加工工藝，以及軸承上安裝不同刃形的滾刀，使得對(duì)滾刀軸承單元的壽命預(yù)測變得極其困難。
4、現(xiàn)實(shí)中，許多其它類型的軸承
5、然而正如前面所說，盾構(gòu)機(jī)本身工作環(huán)境過于復(fù)雜，且在工程中獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)十分困難，即使通過高昂的代價(jià)得到了工程實(shí)測數(shù)據(jù)，也因?yàn)楣r的千差萬別難以擁有好的普適性去推廣，因此現(xiàn)實(shí)中幾乎沒有針對(duì)滾刀軸承的疲勞試驗(yàn)，因?yàn)槠漭d荷譜難以制定，我們亟需一種合理的系統(tǒng)方法，去應(yīng)對(duì)當(dāng)前的困局。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本專利技術(shù)的目的在于提供一種準(zhǔn)確預(yù)測盾構(gòu)機(jī)滾刀軸承壽命的系統(tǒng)方法，旨在準(zhǔn)確預(yù)測滾刀軸承壽命。
2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)提供如下技術(shù)方案：
3、基于數(shù)值模擬結(jié)合疲勞試驗(yàn)的滾刀軸承保養(yǎng)周期預(yù)測方法，包括以下步驟：
4、s1：準(zhǔn)備有限元模型需要的數(shù)據(jù)，包括刀圈和土體的材料屬性參數(shù)和幾何參數(shù)；
5、s2：根據(jù)實(shí)際情況，使用cad軟件建立三維模型，滾刀刀圈按照所研究的實(shí)物圖紙畫出，土體模型可按照滾刀實(shí)際工作路徑畫為圓弧形，半徑取滾刀安裝半徑；
6、s3：將建好的模型和材料參數(shù)輸入，搭建起有限元模型，劃分好網(wǎng)格單元，設(shè)置好邊界條件，設(shè)置好輸出變量，運(yùn)用顯示求解器求解出結(jié)果，提取出需要的徑向力、側(cè)偏力數(shù)據(jù)；
7、s4：將提取到的徑向力、側(cè)偏力數(shù)據(jù)做雨流變換(三點(diǎn)雨流計(jì)數(shù)法)，得到均值-幅值-循環(huán)次數(shù)分布直方圖，據(jù)此編制載荷譜；
8、s5：按照制定好的載荷譜，安排滾刀軸承疲勞試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合miner線性累積損傷理論對(duì)滾刀軸承使用壽命進(jìn)行預(yù)測。
9、作為優(yōu)選，步驟s1中準(zhǔn)備有限元模型需要的數(shù)據(jù)方法：搜集即將施工段的巖土樣本，有條件的可安排土體拉伸、壓縮實(shí)驗(yàn)，獲取所需要的數(shù)據(jù)，不具備實(shí)驗(yàn)條件的，可查閱論文或巖土力學(xué)手冊(cè)，獲取建模所需要的數(shù)據(jù)。
10、作為優(yōu)選，所述土體數(shù)據(jù)包含：土體密度、彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、剪脹角、流應(yīng)力比、抗剪切基準(zhǔn)強(qiáng)度、失效位移；
11、刀圈幾何參數(shù)包含：刀圈的規(guī)格尺寸、刀刃寬度、刃尖角；
12、刀圈材料參數(shù)包含：刀圈的密度、彈性模量、泊松比。
13、作為優(yōu)選，步驟s2中土體模型的繪制方法：按照滾刀實(shí)際工作路徑畫為圓弧形，半徑取滾刀安裝半徑(滾刀軸承幾何中心距刀盤中心的距離)，長度(以弧度計(jì))需按設(shè)定的模擬時(shí)間t(s)和盾構(gòu)機(jī)刀盤的旋轉(zhuǎn)角速度w(rad/s)計(jì)算得出，為w*t(rad)；由于要使用無限元方法，還需對(duì)土體模型進(jìn)行一定的切分，因此土體模型長度(弧度)應(yīng)略大于w*t。
14、土體模型為一矩形截面沿一段圓弧線掃掠畫出，矩形截面的長度不得小于刀刃寬度t，為了后續(xù)劃分模型方便，這里建議取值5t，矩形截面的寬度不得小于刀圈貫入度h(刀圈切割土體的深度)，為了劃分模型方便，這里建議取值6h，土體模型建好后，為了方便后續(xù)劃分無限元網(wǎng)格，需對(duì)土體模型的五條邊線切除邊角。
15、作為優(yōu)選，步驟s3中對(duì)于土體模型材料屬性參數(shù)的設(shè)置以及對(duì)土體模型網(wǎng)格的劃分，包括以下步驟：
16、s31：設(shè)置土體材料本構(gòu)參數(shù)時(shí)，非線性彈塑性本構(gòu)模型采用擴(kuò)展drucker-prager模型，選用線性屈服面和關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，描述硬化規(guī)律的等效應(yīng)力取單軸抗壓強(qiáng)度σc，其控制方程為：
17、f＝t-ptanβ-d＝0
18、t＝0.5q[1+1/k-(1-1/k)(r/q)^3]
19、式中：t為偏應(yīng)力參數(shù)；β為材料摩擦角，r為偏應(yīng)力第三應(yīng)力不變量，k為流應(yīng)力比，取值范圍0.778～1，當(dāng)k取1時(shí)，模型退化為傳統(tǒng)的drucker-prager模型，q為mises等效應(yīng)力，p＝(-1/3)trace(σ)，為平均壓應(yīng)力，d為材料的黏聚力，其值與輸入的硬化參數(shù)即單軸抗壓強(qiáng)度σc有關(guān)，d＝(1-1/3tanβ)σc；
20、s32：土體模型需要?jiǎng)澐謨深惒煌木W(wǎng)格單元，劃分前先將土體模型劃分為5個(gè)cell，其中主體區(qū)域(體積最大的cell)單元類型選擇c3d8r，需勾選單元?jiǎng)h除功能，而其余cell，需要先將結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方式改為sweep方式，并調(diào)整sweeppath方向由主體部分各面向外發(fā)散指向無窮遠(yuǎn)處，進(jìn)入局部布種功能，將sweeppath上的種子數(shù)調(diào)整為1，全局布種1.5mm，單元類型設(shè)置為cin3d8，無限元網(wǎng)格單元cin3d8在分析過程中不會(huì)反射應(yīng)力波，能夠很好的模擬土體無限大的實(shí)際情況，計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確。
21、作為優(yōu)選，步驟s4中將三點(diǎn)雨流計(jì)數(shù)法編制成mtalab程序，將s3步驟中得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入matlab程序中進(jìn)行計(jì)算，得到均值-幅值-循環(huán)次數(shù)分布直方圖，滾刀軸承所受的復(fù)雜的時(shí)變載荷被簡化成若干組簡單的循環(huán)載荷，變成了可加載的載荷。
22、作為優(yōu)選，步驟s5的滾刀軸承疲勞試驗(yàn)具體實(shí)施方法為：
23、根據(jù)s4步驟中得到的簡化后的載荷譜，安排滾刀軸承疲勞試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為整個(gè)滾刀軸承單元(刀軸和刀圈均已安裝)，實(shí)驗(yàn)時(shí)，固定好刀軸保持其軸線位置不動(dòng)，對(duì)刀軸施加轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速為滾刀軸承自轉(zhuǎn)時(shí)的角速度(即讓滾刀軸承內(nèi)圈相對(duì)于外圈轉(zhuǎn)動(dòng))，刀圈固本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.基于數(shù)值模擬結(jié)合疲勞試驗(yàn)的滾刀軸承保養(yǎng)周期預(yù)測方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)值模擬結(jié)合疲勞試驗(yàn)的滾刀軸承保養(yǎng)周期預(yù)測方法，其特征在于，步驟S1中準(zhǔn)備有限元模型需要的數(shù)據(jù)方法：搜集即將施工段的巖土樣本，有條件的可安排土體拉伸、壓縮實(shí)驗(yàn)，獲取所需要的數(shù)據(jù)，不具備實(shí)驗(yàn)條件的，可查閱論文或巖土力學(xué)手冊(cè)，獲取建模所需要的數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于數(shù)值模擬結(jié)合疲勞試驗(yàn)的滾刀軸承保養(yǎng)周期預(yù)測方法，其特征在于，所述土體數(shù)據(jù)包含：土體密度、彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、剪脹角、流應(yīng)力比、抗剪切基準(zhǔn)強(qiáng)度、失效位移；
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)值模擬結(jié)合疲勞試驗(yàn)的滾刀軸承保養(yǎng)周期預(yù)測方法，其特征在于，步驟S2中土體模型的繪制方法：按照滾刀實(shí)際工作路徑畫為圓弧形，半徑取滾刀安裝半徑，長度按設(shè)定的模擬時(shí)間t和盾構(gòu)機(jī)刀盤的旋轉(zhuǎn)角速度w計(jì)算得出，為w*t；由于要使用無限元方法，還需對(duì)土體模型進(jìn)行一定的切分，因此土體模型長度(弧度)應(yīng)略大于w*t。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于數(shù)值模擬結(jié)合疲勞試驗(yàn)的滾刀軸
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)值模擬結(jié)合疲勞試驗(yàn)的滾刀軸承保養(yǎng)周期預(yù)測方法，其特征在于，步驟S3中對(duì)于土體模型材料屬性參數(shù)的設(shè)置以及對(duì)土體模型網(wǎng)格的劃分，包括以下步驟：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于數(shù)值模擬結(jié)合疲勞試驗(yàn)的滾刀軸承保養(yǎng)周期預(yù)測方法，其特征在于，主體區(qū)域?yàn)轶w積最大的cell。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)值模擬結(jié)合疲勞試驗(yàn)的滾刀軸承保養(yǎng)周期預(yù)測方法，其特征在于，步驟S4中將三點(diǎn)雨流計(jì)數(shù)法編制成MTALAB程序，將S3步驟中得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB程序中進(jìn)行計(jì)算，得到均值-幅值-循環(huán)次數(shù)分布直方圖，滾刀軸承所受的復(fù)雜的時(shí)變載荷被簡化成若干組簡單的循環(huán)載荷，變成了可加載的載荷。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于數(shù)值模擬結(jié)合疲勞試驗(yàn)的滾刀軸承保養(yǎng)周期預(yù)測方法，其特征在于，步驟S5的滾刀軸承疲勞試驗(yàn)具體實(shí)施方法為：
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于數(shù)值模擬結(jié)合疲勞試驗(yàn)的滾刀軸承保養(yǎng)周期預(yù)測方法，其特征在于，所述滾刀軸承單元中刀軸和刀圈均已安裝。
...【技術(shù)特征摘要】
1.基于數(shù)值模擬結(jié)合疲勞試驗(yàn)的滾刀軸承保養(yǎng)周期預(yù)測方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)值模擬結(jié)合疲勞試驗(yàn)的滾刀軸承保養(yǎng)周期預(yù)測方法，其特征在于，步驟s1中準(zhǔn)備有限元模型需要的數(shù)據(jù)方法：搜集即將施工段的巖土樣本，有條件的可安排土體拉伸、壓縮實(shí)驗(yàn)，獲取所需要的數(shù)據(jù)，不具備實(shí)驗(yàn)條件的，可查閱論文或巖土力學(xué)手冊(cè)，獲取建模所需要的數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于數(shù)值模擬結(jié)合疲勞試驗(yàn)的滾刀軸承保養(yǎng)周期預(yù)測方法，其特征在于，所述土體數(shù)據(jù)包含：土體密度、彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、剪脹角、流應(yīng)力比、抗剪切基準(zhǔn)強(qiáng)度、失效位移；
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)值模擬結(jié)合疲勞試驗(yàn)的滾刀軸承保養(yǎng)周期預(yù)測方法，其特征在于，步驟s2中土體模型的繪制方法：按照滾刀實(shí)際工作路徑畫為圓弧形，半徑取滾刀安裝半徑，長度按設(shè)定的模擬時(shí)間t和盾構(gòu)機(jī)刀盤的旋轉(zhuǎn)角速度w計(jì)算得出，為w*t；由于要使用無限元方法，還需對(duì)土體模型進(jìn)行一定的切分，因此土體模型長度(弧度)應(yīng)略大于w*t。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于數(shù)值模擬結(jié)合疲勞試驗(yàn)的滾刀軸承保養(yǎng)周期預(yù)測...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：黃江華，楊杰，韓歡歡，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：浙江兆豐機(jī)電股份有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
還沒有人留言評(píng)論。發(fā)表了對(duì)其他瀏覽者有用的留言會(huì)獲得科技券。