【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机械工程材料和计算机应用，具体涉及一种基于数值模拟结合疲劳试验的盾构机滚刀轴承保养周期预测方法。
技术介绍
1、随着经济快速发展，基础设施建设逐渐加快脚步，地铁以及各种穿山隧道的分布变得越发密集。盾构机是目前开挖各种隧道最重要、最有效亦是最先进的技术手段，盾构机的工作模块大致可分为三块，分别为“掘进模块”、“盾构支护模块”以及“渣土运出模块”，“掘进模块”是盾构机的“牙齿”，由液压系统和刀盘组成，工作时液压系统向前推动刀盘，同时刀盘绕自身旋转轴线转动，在刀盘上分布有多个滚刀轴承单元，滚刀轴承单元上安装的滚刀依靠刀盘提供的推进力及自身在摩擦力作用下的自转，挤压、切割破碎岩石；随后，“盾构支护模块”将预制水泥板安装在开挖好的隧道壁上，形成支护；掘进同时，贯穿于整个盾构机内部的“渣土运出模块”也在工作，将掘进过程中产生的渣土运出隧道外。
2、相较于其他隧道开掘方式，盾构机效率极高，一天可掘进8～10米，中国目前已是最大的盾构机生产和使用国，盾构机设计制造能力居于世界顶尖行列，但目前，盾构机仍有许多技术难点未攻克，例如在盾构机掘进过程中滚刀轴承单元寿命预测问题。
3、由于盾构机工作环境十分复杂(不同的项目工程将面临不同的施工土壤)，且不同项目要求的盾构机直径差别较大，从5米到15米不等，不同的盾构机之间，滚刀轴承的排布方式又不尽相同，再加上各个滚刀轴承供应厂商采用不同的材料和加工工艺，以及轴承上安装不同刃形的滚刀，使得对滚刀轴承单元的寿命预测变得极其困难。
4、现实中，许多其它类型的轴承
5、然而正如前面所说，盾构机本身工作环境过于复杂，且在工程中获取相应的数据十分困难，即使通过高昂的代价得到了工程实测数据，也因为工况的千差万别难以拥有好的普适性去推广，因此现实中几乎没有针对滚刀轴承的疲劳试验，因为其载荷谱难以制定，我们亟需一种合理的系统方法，去应对当前的困局。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种准确预测盾构机滚刀轴承寿命的系统方法，旨在准确预测滚刀轴承寿命。
2、为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、基于数值模拟结合疲劳试验的滚刀轴承保养周期预测方法，包括以下步骤：
4、s1：准备有限元模型需要的数据，包括刀圈和土体的材料属性参数和几何参数；
5、s2：根据实际情况，使用cad软件建立三维模型，滚刀刀圈按照所研究的实物图纸画出，土体模型可按照滚刀实际工作路径画为圆弧形，半径取滚刀安装半径；
6、s3：将建好的模型和材料参数输入，搭建起有限元模型，划分好网格单元，设置好边界条件，设置好输出变量，运用显示求解器求解出结果，提取出需要的径向力、侧偏力数据；
7、s4：将提取到的径向力、侧偏力数据做雨流变换(三点雨流计数法)，得到均值-幅值-循环次数分布直方图，据此编制载荷谱；
8、s5：按照制定好的载荷谱，安排滚刀轴承疲劳试验，统计实验数据，结合miner线性累积损伤理论对滚刀轴承使用寿命进行预测。
9、作为优选，步骤s1中准备有限元模型需要的数据方法：搜集即将施工段的岩土样本，有条件的可安排土体拉伸、压缩实验，获取所需要的数据，不具备实验条件的，可查阅论文或岩土力学手册，获取建模所需要的数据。
10、作为优选，所述土体数据包含：土体密度、弹性模量、泊松比、抗压强度、内摩擦角、剪胀角、流应力比、抗剪切基准强度、失效位移；
11、刀圈几何参数包含：刀圈的规格尺寸、刀刃宽度、刃尖角；
12、刀圈材料参数包含：刀圈的密度、弹性模量、泊松比。
13、作为优选，步骤s2中土体模型的绘制方法：按照滚刀实际工作路径画为圆弧形，半径取滚刀安装半径(滚刀轴承几何中心距刀盘中心的距离)，长度(以弧度计)需按设定的模拟时间t(s)和盾构机刀盘的旋转角速度w(rad/s)计算得出，为w*t(rad)；由于要使用无限元方法，还需对土体模型进行一定的切分，因此土体模型长度(弧度)应略大于w*t。
14、土体模型为一矩形截面沿一段圆弧线扫掠画出，矩形截面的长度不得小于刀刃宽度t，为了后续划分模型方便，这里建议取值5t，矩形截面的宽度不得小于刀圈贯入度h(刀圈切割土体的深度)，为了划分模型方便，这里建议取值6h，土体模型建好后，为了方便后续划分无限元网格，需对土体模型的五条边线切除边角。
15、作为优选，步骤s3中对于土体模型材料属性参数的设置以及对土体模型网格的划分，包括以下步骤：
16、s31：设置土体材料本构参数时，非线性弹塑性本构模型采用扩展drucker-prager模型，选用线性屈服面和关联流动法则，描述硬化规律的等效应力取单轴抗压强度σc，其控制方程为：
17、f＝t-ptanβ-d＝0
18、t＝0.5q[1+1/k-(1-1/k)(r/q)^3]
19、式中：t为偏应力参数；β为材料摩擦角，r为偏应力第三应力不变量，k为流应力比，取值范围0.778～1，当k取1时，模型退化为传统的drucker-prager模型，q为mises等效应力，p＝(-1/3)trace(σ)，为平均压应力，d为材料的黏聚力，其值与输入的硬化参数即单轴抗压强度σc有关，d＝(1-1/3tanβ)σc；
20、s32：土体模型需要划分两类不同的网格单元，划分前先将土体模型划分为5个cell，其中主体区域(体积最大的cell)单元类型选择c3d8r，需勾选单元删除功能，而其余cell，需要先将结构化网格划分方式改为sweep方式，并调整sweeppath方向由主体部分各面向外发散指向无穷远处，进入局部布种功能，将sweeppath上的种子数调整为1，全局布种1.5mm，单元类型设置为cin3d8，无限元网格单元cin3d8在分析过程中不会反射应力波，能够很好的模拟土体无限大的实际情况，计算结果较为准确。
21、作为优选，步骤s4中将三点雨流计数法编制成mtalab程序，将s3步骤中得到的数据导入matlab程序中进行计算，得到均值-幅值-循环次数分布直方图，滚刀轴承所受的复杂的时变载荷被简化成若干组简单的循环载荷，变成了可加载的载荷。
22、作为优选，步骤s5的滚刀轴承疲劳试验具体实施方法为：
23、根据s4步骤中得到的简化后的载荷谱，安排滚刀轴承疲劳试验，实验对象为整个滚刀轴承单元(刀轴和刀圈均已安装)，实验时，固定好刀轴保持其轴线位置不动，对刀轴施加转速，转速为滚刀轴承自转时的角速度(即让滚刀轴承内圈相对于外圈转动)，刀圈固本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于数值模拟结合疲劳试验的滚刀轴承保养周期预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于数值模拟结合疲劳试验的滚刀轴承保养周期预测方法，其特征在于，步骤S1中准备有限元模型需要的数据方法：搜集即将施工段的岩土样本，有条件的可安排土体拉伸、压缩实验，获取所需要的数据，不具备实验条件的，可查阅论文或岩土力学手册，获取建模所需要的数据。
3.根据权利要求2所述的基于数值模拟结合疲劳试验的滚刀轴承保养周期预测方法，其特征在于，所述土体数据包含：土体密度、弹性模量、泊松比、抗压强度、内摩擦角、剪胀角、流应力比、抗剪切基准强度、失效位移；
4.根据权利要求1所述的基于数值模拟结合疲劳试验的滚刀轴承保养周期预测方法，其特征在于，步骤S2中土体模型的绘制方法：按照滚刀实际工作路径画为圆弧形，半径取滚刀安装半径，长度按设定的模拟时间t和盾构机刀盘的旋转角速度w计算得出，为w*t；由于要使用无限元方法，还需对土体模型进行一定的切分，因此土体模型长度(弧度)应略大于w*t。
5.根据权利要求4所述的基于数值模拟结合疲劳试验的滚刀轴
6.根据权利要求1所述的基于数值模拟结合疲劳试验的滚刀轴承保养周期预测方法，其特征在于，步骤S3中对于土体模型材料属性参数的设置以及对土体模型网格的划分，包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的基于数值模拟结合疲劳试验的滚刀轴承保养周期预测方法，其特征在于，主体区域为体积最大的cell。
8.根据权利要求1所述的基于数值模拟结合疲劳试验的滚刀轴承保养周期预测方法，其特征在于，步骤S4中将三点雨流计数法编制成MTALAB程序，将S3步骤中得到的数据导入MATLAB程序中进行计算，得到均值-幅值-循环次数分布直方图，滚刀轴承所受的复杂的时变载荷被简化成若干组简单的循环载荷，变成了可加载的载荷。
9.根据权利要求8所述的基于数值模拟结合疲劳试验的滚刀轴承保养周期预测方法，其特征在于，步骤S5的滚刀轴承疲劳试验具体实施方法为：
10.根据权利要求9所述的基于数值模拟结合疲劳试验的滚刀轴承保养周期预测方法，其特征在于，所述滚刀轴承单元中刀轴和刀圈均已安装。
...【技术特征摘要】
1.基于数值模拟结合疲劳试验的滚刀轴承保养周期预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于数值模拟结合疲劳试验的滚刀轴承保养周期预测方法，其特征在于，步骤s1中准备有限元模型需要的数据方法：搜集即将施工段的岩土样本，有条件的可安排土体拉伸、压缩实验，获取所需要的数据，不具备实验条件的，可查阅论文或岩土力学手册，获取建模所需要的数据。
3.根据权利要求2所述的基于数值模拟结合疲劳试验的滚刀轴承保养周期预测方法，其特征在于，所述土体数据包含：土体密度、弹性模量、泊松比、抗压强度、内摩擦角、剪胀角、流应力比、抗剪切基准强度、失效位移；
4.根据权利要求1所述的基于数值模拟结合疲劳试验的滚刀轴承保养周期预测方法，其特征在于，步骤s2中土体模型的绘制方法：按照滚刀实际工作路径画为圆弧形，半径取滚刀安装半径，长度按设定的模拟时间t和盾构机刀盘的旋转角速度w计算得出，为w*t；由于要使用无限元方法，还需对土体模型进行一定的切分，因此土体模型长度(弧度)应略大于w*t。
5.根据权利要求4所述的基于数值模拟结合疲劳试验的滚刀轴承保养周期预测...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄江华，杨杰，韩欢欢，
申请(专利权)人：浙江兆丰机电股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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