一种可连续时变磁致多向加载的盾构机主轴承试验平台

1.本发明涉及大型轴承测试领域，具体而言，涉及一种可连续时变磁致多向加载的盾构机主轴承试验平台。


背景技术：

2.现有的大型机器越来越多，而与之相对应的使用重型超大型轴承也越来越普遍，而对于以回转作为主要动作的盾构机来说，轴承更是重中之重。
[0003][0004]
主轴承在掘进过程中，受到的载荷是巨大的，拿直径8m的轴承来说，它在运转过程中承载的最大轴向力高达105千牛，1千牛约等于0.1吨物体的重力，105千牛相当于轴向受到2500头成年亚洲象重力的作用。这就要求制造轴承的材料高纯净、高均质、高强韧、高耐磨。
[0005]
不仅如此，盾构机主轴承受到的载荷形式也是极为复杂的，主轴承既承受刀盘掘进时的轴向推力和驱动转矩，还要受刀盘自重、旋转倾覆力矩和开挖面产生的冲击载荷，极易发生故障，并且盾构机主轴承尺寸都很大，大尺寸结构又使得重载荷分布不均、多载荷突变的作用更为复杂，主轴承极易发生故障，而且一旦发生故障，就需立即对盾构机整机停机拆换，其维修和拆换的时间成本、人工成本和材料成本急剧增加；如果没有及时发现故障并进行维修和维护，可能还会造成人员伤亡的重大安全事故。因此，对盾构机主轴承的故障产生机理亟待深入研究。
[0006]
主轴承一般都封闭在前盾中，很难直接观察和检测其运行状态并分析其损伤机理。搭建盾构机主轴承实验装置，对于分析主轴承在运行时受到振动和冲击时产生的损伤演变过程具有重要意义。
[0007]
目前对于大型回转轴承的研究装备匮乏，其中对主轴承受到的外部连续时变载荷的加载研究大多都是通过液压缸来作为驱动力对轴承进行施压，直接施压会对轴承表面产生应力集中，长期以往，也会使得液压缸损坏，造成其实验成本上升，并且，其在载荷的连续时变性、多向协同性、加载控制的灵活性等方面还有提升的空间。


技术实现要素：

[0008]
基于此，为了解决现有的大型回转轴承的研究装备存在不足的问题，本发明提供了一种可连续时变磁致多向加载的盾构机主轴承试验平台，其具体技术方案如下：
[0009]
一种可连续时变磁致多向加载的盾构机主轴承试验平台，包括底板，所述底板上依次设置有驱动电机、固定支架以及线圈载体，所述固定支架上开设有用于安装待测轴承的安装位，所述驱动电机的驱动轴上连接有用于与待测轴承啮合连接的小齿轮；所述线圈载体呈环形结构且所述线圈载体内固定连接有多个线圈模组，所述线圈载体的环形空心处形成受力位，所述线圈载体与所述固定支架之间设置有与待测轴承连接的受力端盖，所述受力端盖朝向所述线圈载体的一侧为受力端伸入到所述线圈载体的受力位，所述受力端上
均匀固定连接有多个永磁体；所述线圈载体上还设置有冷却装置。
[0010]
进一步的，所述冷却装置通过多个冷却液进口管以及多个冷却液进口管与所述线圈载体连通，所述线圈载体中的各个线圈模组通过密封盖密封分割设置形成多个工作腔，单个冷却液进口管以及单个冷却液出口管分别与单个工作腔连通。
[0011]
进一步的，所述永磁体包括周向永磁体以及轴向永磁体，所述线圈模组包括周向线圈模组以及轴向线圈模组，所述轴向线圈模组与所述轴向永磁体一一对应，所述周向线圈模组与所述周向永磁体一一对应。
[0012]
进一步的，所述受力端盖为喇叭口形状，且所述受力端盖口径较大的一端与所述待测轴承的内圈固定连接，所述受力端盖口径较小的一端作为受力端。
[0013]
进一步的，一半的所述周向永磁体均匀间隔固定连接于所述受力端的外周，另一半的所述周向永磁体均匀间隔固定连接于所述受力端的内周，且处于受力端内周的所述周向永磁体位于相邻的两个处于受力端外周的所述周向永磁体之间。
[0014]
进一步的，多个轴向永磁体均匀固定连接于所述受力端的端面上。
[0015]
进一步的，连接于所述受力端外周的周向永磁体均为弧形结构。
[0016]
进一步的，所述轴向线圈模组设置于所述线圈载体远离所述固定支架的端面上。
[0017]
进一步的，所述固定支架与所述线圈载体之间固定连接有加固架。
[0018]
进一步的，所述安装位的下方连接有挡油板，所述挡油板与所述固定架之间形成有储油池。
[0019]
与现有技术相比，本技术的有益效果如下：
[0020]
1、对比现有的轴承实验台，本技术采用了电流在磁场中的力进行加载。在现有的轴承实验台中，大多数的轴承实验台采用的是液压加载，在对轴承进行加载的过程中不能灵活地进行变加载，与现有的试验平台相比较，由于本试验平台采用的是轴周向线圈模组加载，通过可变电流控制周向线圈模组，使其与周向永磁体之间产生安培力，有安培力公式f＝bil，其力的大小取决与周向永磁体的感应电动势b，电流的大小i和周向线圈模组中线圈的长度l，将固定周向永磁体的感应电动势b和周向线圈模组中线圈的长度l，通过控制电路，给予线圈一定规律的变电流，使得周向线圈模组和周向永磁体之间产生变载荷，周向永磁体和受力端盖之间连接，通过受力端盖将变载荷传输到待测主轴承上，实现对待测主轴承的变加载。
[0021]
2、对比现有的轴承实验台，本技术可进行可连续时变磁致多向加载。现有对轴承实验台采用的液压机大多只能在同一个部位进行加载，并不能实现多向全方位加载，如果要实现全方位加载，必须要用多个液压缸将轴承包围，其成本较高而效果却很低，本技术装置只需采用周向线圈模组与周向永磁体的相互作用，即可实现对盾构机主轴承对全方位加载，因盾构机轴承受到对轴向载荷非常大，因此需采用轴向线圈模组，与受力端盖上对轴向的轴向永磁体相互作用，模拟轴承受到对轴向载荷，并且盾构机受到对轴向力并不是均匀分布在刀盘上的，当盾构机掘进时，刀盘的每个部位都可能会遇到一些坚硬都岩石层，使得盾构机主轴承受到复杂的轴向力和倾覆力矩和径向力，并且大小和位置是实时变化的，此时，可以通过对轴向对各个位置不同的周向线圈模组和圆周的各个方位的周向线圈模组之间相互配合，对盾构机主轴承进行可连续时变磁致多向加载。
[0022]
3、对比现有的轴承实验台，本技术对加载方式更加灵活多变。现有实验台其加载
方向只能单向加载，而本发明是采用对磁动力加载，加载的方向，也就是线圈模组和永磁体之间是产生斥力还是吸引力，取决于电流的方向，每个线圈可以通过改变电流方向改变安培力的方向，使得单一线圈模组可以相当与两个液压缸的功能，使得本发明能够更加灵活地对待测主轴承进行变加载，其加载对数值也可以通过上下两个线圈模组对的配合进行叠加，大大节约了成本和效益。
[0023]
4、对比现有的轴承实验台，本技术应用范围广，减少了对资源的浪费，节约了人工和成本。现有实验台大多数都只能对单一类型轴承进行加载，并不能融合多种轴承的受力特点，对其他轴承进行实验，其造成资源的浪费和人力财力对损失，本技术有上面所诉可以对轴承进行可连续时变磁致多向加载，由于轴承只受力端盖之间连接，受力端盖通过永磁体和线圈模组加载，其通过无接触对安培力加载，可以实现轴承在高速运载过程中对轴承的加载，大大拓展了其应用场景，可以通过对待测主轴承的受力分析，将需要加载的力换算为电流，通过对线圈模组对控制实现对待测主轴承对加载，因此可以实现多种轴承类型的加载，减少了对资源的浪费，节约了人工和成本。
[0024]
5、对比现有的轴承实验台，本技术高效简约，使用寿命长。要实现上诉功能，在液压缸的加载效果上，必须使用多个液压缸，液压缸的直接施压，也会对待测主轴承产生应力集中，非轴承在实际过程中的受力，液压缸数量一多，其损坏率和维护成本也会上升，加上能在运载过程中加载，其设备也会复杂很多，本技术可以在实现可连续时变磁致多向加载的基础上，拥有设备简约高效的特点，其加载设备和待测主轴承是无接触加载，增加了其使用寿命。
[0025]
6、对比现有的轴承实验台，本技术采用模块化设计，能模拟各种轴承运行的真实环境。其线圈载体可以安装多个线圈模组，通过增加线圈模组的数目增加实验台的加载范围，其受力端盖也可通过特定的待测主轴承来设计出适合此轴承的受力的形状，比如风力发电机的变桨轴承，通过模拟与边桨轴承之间连接的叶片，对其进行模拟受力，可以更真实模拟出变桨轴承实际受力场景。
附图说明
[0026]
从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。
[0027]
图1是本发明实施例中一种可连续时变磁致多向加载的盾构机主轴承试验平台的结构示意图。
[0028]
图2是本发明实施例中一种可连续时变磁致多向加载的盾构机主轴承试验平台的部分结构示意图之一。
[0029]
图3是本发明实施例中一种可连续时变磁致多向加载的盾构机主轴承试验平台的部分结构示意图之二。
[0030]
附图标记说明：
[0031]
1、驱动电机；2、电机底座；3、小齿轮；4、固定支架；5、待测轴承；6、挡油板；7、受力端盖；8、周向永磁体；9、线圈载体；10、冷却液进口管；11、冷却液出口管；12、加固架；13、周向线圈模组；14、密封盖；15、轴向永磁体；16、轴向线圈模组。
具体实施方式
[0032]
为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
[0033]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
[0034]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0035]
本发明中所述“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。
[0036]
如图1、图2以及图3所示，本发明一实施例中的一种可连续时变磁致多向加载的盾构机主轴承试验平台，包括底板，所述底板上依次设置有驱动电机1、固定支架4以及线圈载体9，所述固定支架4上开设有用于安装待测轴承5的安装位，所述驱动电机1的驱动轴上连接有用于与待测轴承5啮合连接的小齿轮3；所述线圈载体9呈环形结构且所述线圈载体9内固定连接有多个线圈模组，所述线圈载体9的环形空心处形成受力位，所述线圈载体9与所述固定支架4之间设置有与待测轴承5连接的受力端盖7，所述受力端盖7朝向所述线圈载体9的一侧为受力端伸入到所述线圈载体9的受力位，所述受力端上均匀固定连接有多个永磁体；所述线圈载体9上还设置有冷却装置。
[0037]
具体的，所述待测轴承5放置在所述安装位中，并将所述待测轴承5的外圈与所述固定支架4固定连接，将所述待测轴承5的内圈与所述受力端盖7固定连接，将小齿轮3与所述待测轴承5的内圈啮合连接，所述驱动电机1上连接有减速机，所述驱动电机1通过电机座固定连接于底板上，通过更换不同高度的电机座以及小齿轮3的尺寸来满足不同待测轴承5的需求。
[0038]
所述线圈模组，基于磁动力原理,通过人工输入电流是使线圈产生磁场，通过右手螺旋定则确定磁场方向，电流控制磁场大小，由同极相吸，异级相斥的特性，使得线圈与受力端盖7上的永磁体产生相应的吸力和斥力，通过固定线圈，端盖连接待测主轴承内齿圈，将线圈与永磁体之间的力传导到轴承上，实现对轴承的加载，其电流的控制灵活的特性使得可以实现变加载，由于其发热量q＝i2rt，r为电阻，其发热量q与电流i为二次幂关系，当电流很大时产生的发热量将是巨大的，因此，应该尽可能得从多方面去降低发热量。故，在其中一个实施例中，所述冷却装置通过多个冷却液进口管10以及多个冷却液进口管10与所述线圈载体9连通，所述线圈载体9中的各个线圈模组通过密封盖14密封分割设置形成多个工作腔，单个冷却液进口管10以及单个冷却液出口管11分别与单个工作腔连通。
[0039]
而反过来，我们也可以通过控制所述线圈模组的发热量从而控制线圈模组产生的磁动力，从而获得更加宽广的调节范围以及测试数据。故，在其中一个实施例中，各个所述工作腔中均连通有控温液输入管以及控温液输出管。所述控温液与冷却液为同一液体，只是温度不同而已，通过该设计能够在保证正常的冷却效果的情况下，在需要的时候对线圈
模组进行控温。
[0040]
在试验平台工作时，模拟的是盾构机主轴承运行过程中受到的实际动载荷，其受到的力是不断变化的，本实验台拥有8个线圈模组(根据需求可以增加模组的数量)，每一个线圈模组都可以独立对轴承进行加载，因此，可以采用轮流通电对方法，通过盾构机实际受力作用，在尽可能模拟盾构机主轴承受力的基础上，减小每个线圈模组的通电时间，进而减小发热量。
[0041]
在其中一个实施例中，所述永磁体包括周向永磁体8以及轴向永磁体15，所述线圈模组包括周向线圈模组13以及轴向线圈模组16，所述轴向线圈模组16与所述轴向永磁体15一一对应，所述周向线圈模组13与所述周向永磁体8一一对应。
[0042]
在其中一个实施例中，所述轴向线圈模组16设置于所述线圈载体9远离所述固定支架4的端面上。
[0043]
在其中一个实施例中，所述受力端盖7为喇叭口形状，且所述受力端盖7口径较大的一端与所述待测轴承5的内圈固定连接，所述受力端盖7口径较小的一端作为受力端。
[0044]
在其中一个实施例中，一半的所述周向永磁体8均匀间隔固定连接于所述受力端的外周，另一半的所述周向永磁体8均匀间隔固定连接于所述受力端的内周，且处于受力端内周的所述周向永磁体8位于相邻的两个处于受力端外周的所述周向永磁体8之间。
[0045]
在其中的一个实施例中，所述周向永磁体8有八个，所述轴向永磁体15有四个。在处于正常工作时，处于外周的四个所述周向永磁体8正常工作，而处于内周的四个所述周向永磁体8所受到的磁力由于距离的原因而产生的磁力不会影响到处于外周的四个所述周向永磁体8所产生的磁力，而在施加更加大的力时，即模拟在工作时遇到更严峻的工况时，处于内周的四个所述周向永磁体8所产生的磁力开始增大从而更加符合实际工况在复杂环境中产生的内外阻力，从而获取更加符合实际的实验数据。
[0046]
在其中一个实施例中，多个轴向永磁体15均匀固定连接于所述受力端的端面上。
[0047]
在其中一个实施例中，连接于所述受力端外周的周向永磁体8均为弧形结构。
[0048]
在其中一个实施例中，所述固定支架4与所述线圈载体9之间固定连接有加固架12。通过加固架12来提高整体结构的稳定性。
[0049]
在其中一个实施例中，所述安装位的下方连接有挡油板6，所述挡油板6与所述固定架之间形成有储油池。通过向所述储油池中填充润滑油对待测轴承5进行润滑。
[0050]
在其中一个实施例中，为避免机器故障或人为失误导致电流上升，受力端盖7受到的力过大导致损坏，受力端盖7上安装有力传感器，力传感器与单片机连接，可以实时监测受力端盖7所受的力的大小，当所受到的力超过上限时，立刻通过蓝牙将信号传输到电流控制端，使试验平台停机。
[0051]
本试验平台可以接通380伏电源，通过控制电路控制每一个线圈的电流，其中每一个线圈的电流范围控制在
±
50a，因此，每一个线圈可以产生一个固定的力，当线圈所处的位置b＝30特斯拉，线圈长度为10m的时候，每一个线圈产生的力的范围为
±
15kn。
[0052]
因此，本试验平台在轴向有4个线圈，可以产生轴向载荷的范围为
±
60kn,周向上的4个线圈，当上下(或左右)相对的两个线圈分别输入相同的电流大小，不同的电流方向，一个将产生吸引力，另一个将产生斥力，对受力端盖7产生一个同一方向的力，其力的范围为
±
30kn，此力可通过端盖的长度计算得出径向力的分量和倾覆力矩的分量。圆周方向的
相邻两个线圈之间，根据两个线圈输入不一样的电流可以模拟出不同角度的合力。
[0053]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0054]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种可连续时变磁致多向加载的盾构机主轴承试验平台，其特征在于，包括底板，所述底板上依次设置有驱动电机、固定支架以及线圈载体，所述固定支架上开设有用于安装待测轴承的安装位，所述驱动电机的驱动轴上连接有用于与待测轴承啮合连接的小齿轮；所述线圈载体呈环形结构且所述线圈载体内固定连接有多个线圈模组，所述线圈载体的环形空心处形成受力位，所述线圈载体与所述固定支架之间设置有与待测轴承连接的受力端盖，所述受力端盖朝向所述线圈载体的一侧为受力端伸入到所述线圈载体的受力位，所述受力端上均匀固定连接有多个永磁体；所述线圈载体上还设置有冷却装置。2.如权利要求1所述的一种可连续时变磁致多向加载的盾构机主轴承试验平台，其特征在于，所述冷却装置通过多个冷却液进口管以及多个冷却液进口管与所述线圈载体连通，所述线圈载体中的各个线圈模组通过密封盖密封分割设置形成多个工作腔，单个冷却液进口管以及单个冷却液出口管分别与单个工作腔连通。3.如权利要求2所述的一种可连续时变磁致多向加载的盾构机主轴承试验平台，其特征在于，所述永磁体包括周向永磁体以及轴向永磁体，所述线圈模组包括周向线圈模组以及轴向线圈模组，所述轴向线圈模组与所述轴向永磁体一一对应，所述周向线圈模组与所述周向永磁体一一对应。4.如权利要求3所述的一种可连续时变磁致多向加载的盾构机主轴承试验平台，其特征在于，所述受力端盖为喇叭口形状，且所述受力端盖口径较大的一端与所述待测轴承的内圈固定连接，所述受力端盖口径较小的一端作为受力端。5.如权利要求4所述的一种可连续时变磁致多向加载的盾构机主轴承试验平台，其特征在于，一半的所述周向永磁体均匀间隔固定连接于所述受力端的外周，另一半的所述周向永磁体均匀间隔固定连接于所述受力端的内周，且处于受力端内周的所述周向永磁体位于相邻的两个处于受力端外周的所述周向永磁体之间。6.如权利要求5所述的一种可连续时变磁致多向加载的盾构机主轴承试验平台，其特征在于，多个轴向永磁体均匀固定连接于所述受力端的端面上。7.如权利要求5所述的一种可连续时变磁致多向加载的盾构机主轴承试验平台，其特征在于，连接于所述受力端外周的周向永磁体均为弧形结构。8.如权利要求6所述的一种可连续时变磁致多向加载的盾构机主轴承试验平台，其特征在于，所述轴向线圈模组设置于所述线圈载体远离所述固定支架的端面上。9.如权利要求1所述的一种可连续时变磁致多向加载的盾构机主轴承试验平台，其特征在于，所述固定支架与所述线圈载体之间固定连接有加固架。10.如权利要求1所述的一种可连续时变磁致多向加载的盾构机主轴承试验平台，其特征在于，所述安装位的下方连接有挡油板，所述挡油板与所述固定架之间形成有储油池。

技术总结
本发明提供了一种可连续时变磁致多向加载的盾构机主轴承试验平台，包括底板，底板上依次设置有驱动电机、固定支架以及线圈载体，固定支架上开设有用于安装待测轴承的安装位，驱动电机的驱动轴上连接有用于与待测轴承啮合连接的小齿轮；线圈载体呈环形结构且线圈载体内固定连接有多个线圈模组，线圈载体的环形空心处形成受力位，线圈载体与固定支架之间设置有与待测轴承连接的受力端盖，受力端盖朝向线圈载体的一侧为受力端伸入到线圈载体的受力位，受力端上均匀固定连接有多个永磁体；线圈载体上还设置有冷却装置。本申请采用了电流在磁场中的力进行加载，通过受力端盖将变载荷传输到待测主轴承上，实现对待测主轴承的变加载。载。载。


技术研发人员：王广斌 陈民政 潘美玲 李学军 李灿 蒋玲莉
受保护的技术使用者：岭南师范学院
技术研发日：2023.07.19
技术公布日：2023/9/6