[发明专利]一种盾构机主轴承动力学模型的建模与仿真方法

说明书

本发明公开了一种盾构机主轴承动力学模型的建模与仿真方法，包括以下步骤：步骤一：在SolidWorks软件中建立包含局部故障特征的盾构机主轴承三维模型，步骤二：将盾构机主轴承三维模型导入到多体动力学分析软件Adams中，得到盾构机主轴承的刚体模型；步骤三：进行有限元分析，得到其柔性化模型；步骤四：将盾构机主轴承内圈、外圈及保持架柔性化后的模型导入原来的刚体模型中并替换相对应的刚性部件，得到盾构机主轴承的刚柔耦合模型；步骤五：模拟正常工作条件下的复杂工况并运行Adams动力学仿真，提取主轴承外圈的振动加速度信号；步骤六：进行频域分析，提取对应的故障特征频率，为盾构机主轴承的故障诊断提供理论判别依据。

技术领域

本发明涉及盾构机轴承仿真技术领域，具体为一种盾构机主轴承动力学模型的建模与仿真方法。

背景技术

随着国内经济的不断发展，国内铁路、水利工程、隧道施工以及地铁施工项目日渐增多，由于盾构施工具有安全、环保、高效等优点，所以越来越多的盾构机被应用于隧道施工中。

盾构机是当今世界上最先进的隧道掘进超大型专用设备，是现代装备制造业的代表作，它集光、机、电、液、传感、信息技术与一体，是一个非常复杂的系统。盾构机在进行盾构作业时承受着复杂的力及力矩，而其中主轴承作为支撑盾构机刀盘的主要承载部件，承担着盾构机运转过程中的主要载荷，是盾构机中极为重要的关键部件，一旦主轴承发生故障，会直接影响整个盾构机的正常运行，造成极大的经济损失。因此，能及时发现并预知故障，保证盾构机主轴承在复杂的工况下长期可靠的运行非常重要。

为了保证盾构机主轴承运行的可靠性，了解其在不同部位不同类型故障体现出的故障特征信息，需要对其进行对应状态下的动力学实验，但是实验存在以下缺点：

1、盾构机主轴承结构精密且复杂，实验台架搭建成本高昂并且难以保证其安装精度；

2、盾构机主轴承在实际运行过程中，根据不同的地形结构与掘进方向，会承受不同方向及大小的力及力矩，实验台架难以模拟真实的复杂工况。

发明内容

本发明就是针对现有技术存在的上述不足，提供一种盾构机主轴承动力学模型的建模与仿真方法，具有准确性和针对性的特点，解决了实验成本高及不能模拟实际运行工况等缺点，具有节约实验成本、研究周期短等优点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种盾构机主轴承动力学模型的建模与仿真方法，包括以下步骤：

步骤一：在SolidWorks软件中建立包含局部故障特征的盾构机主轴承三维模型，并进行干涉检查；

步骤二：将盾构机主轴承三维模型导入到多体动力学分析软件Adams中，得到盾构机主轴承的刚体模型；

步骤三：将盾构机主轴承的内圈、外圈以及保持架进行有限元分析，得到其柔性化模型；

步骤四：将盾构机主轴承内圈、外圈及保持架柔性化后的模型导入原来的刚体模型中并替换相对应的刚性部件，得到盾构机主轴承的刚柔耦合模型；

步骤五：定义盾构机主轴承刚柔耦合模型中各部件的材料属性，依据盾构机主轴承的拓扑结构，设置模型中各部件的连接关系，在Adams中对盾构机主轴承模型添加推力及扭矩，模拟正常工作条件下的复杂工况并运行Adams动力学仿真，仿真结束后提取主轴承外圈的振动加速度信号；

步骤六：在MATLAB软件中进行联合仿真，将Adams软件中提取的主轴承振动加速度信号进行频域分析，提取对应的故障特征频率，为盾构机主轴承的故障诊断提供理论判别依据。

优选的，所述步骤一中，要根据实际盾构机主轴承的结构尺寸和相互运动关系建立三维模型。