滚刀轴承损坏原因及检测方法

　　一、滚刀轴承损坏原因

　　在掘进机施工中，主要是依靠滚刀对岩土、土层和砂石等进行开沟、碾压、破碎和切削等。由于滚刀承受巨大的载荷和冲击，剧烈的摩擦和高温，各部分的连接性能、密封性能非常容易被破坏，其中滚刀轴承的损坏对滚刀寿命影响重大，因此有必要研究滚刀轴承的损坏原因。

　　滚刀轴承损坏的主要原因有一下几个方面^[1]：

　　（1）由于破岩过程中切削力不稳定，刀具产生很大的振动，可能造成滚压破岩中滚刀轴承运转不平稳，在强大外力和自身不停运转发生的作用下轴承会很快散掉，如图1所示。

　　（2）如果滚刀出厂时滚动扭矩过大，在掘进机掘进过程中由于岩层阻力作用，滚刀易只随刀盘公转而不能自转，这样滚刀易出现弦磨或偏磨等现象，如果滚刀的装配扭矩过小，使用时因刀体和刀轴的反复震动，也易致使轴承的损坏，如图2所示。

　　（3）滚刀的气密性是滚刀的一项重要指标，一旦出现漏气现象，刀具的润滑区域会很快进入尘土导致轴承破坏，如图3所示为一轴承进浆的滚刀。

　　（4）当在滚刀出厂前或维修检测时，若轴承跑合运转不平稳，在实际掘进机掘进中轴承很快会散掉。

　　（5）若滚刀滚动扭矩过小时（切深太小），滚刀轴承可能会产生振动，影响轴承寿命。

　　二、针对轴承损坏的检测方案

　　（1）测量轴承振动

　　由于轴承在滚刀扭矩过小，以及跑合转动不平稳是都会产生异常振动，因此可以通过检测轴承振动来判断轴承的工作状态，及早发现轴承及滚刀故障。

　　（2）测轴承转速

　　理论上，滚刀在滚切岩石时，滚刀在岩石上做纯滚动运动。而一旦出现故障（如轴承损坏等），滚刀将会在岩石上滑动，造成滚刀偏磨现象，降低滚刀寿命。因此，对于正常工作的滚刀，在刀盘转速、滚刀直径，滚刀距刀盘轴心位置确定的情况下，那么滚刀的转速应该是确定的。进而可以利用这一规律，通过测滚刀（轴承）转速，比较测量值与理论值，就能知道滚刀的工作状态。

　　（3）测量轴承载荷

　　在掘进过程中，若刀盘推力太大，轴承所承受的径向力就会很大，可能会直接压溃滚子，破坏轴承。而推力太小时，又会使切深太小，滚刀扭矩过小，使得滚刀轴承装配会松动，也会造成轴承损坏^[1]。因此通过测量，尽量是轴承载荷处在一个合适的范围内是有必要的。　

　　滚刀在切割岩石过程中，刀刃与岩石之间都存在3个方向的相互作用力：（1）法向推压力F_N，指向开挖面，由刀盘的推力提供；（2）切向滚动切割力F_R，指向滚刀切向，由刀盘转矩提供；（3）滚刀边缘测向力F_L，由滚刀对岩石的挤压力和刀盘旋转的离心力产生，指向刀盘中心。如图4所示。

　　在实际工作中发现，侧向力F_L与其它两个力不在一个数量级，一般情况下不予考虑。因此，在测量载荷，布置传感器时，只考虑法向力和切向切割力的测量。继续分析，法向力作用在轴承上相当于给轴承施加一个法向力，大小等于F_N；切向力F_R的作用，相当于一个大小等于F_R的沿轴承法向的力和一个力矩作用在轴承上，而由于在不考虑轴承摩擦的情况下轴承不承受扭矩，因此，切向力作用在轴承上等效为一个大小为F_R的法向力，方向与F_N垂直。所以，通过测量轴承上的这两个方向的力，就能得到滚刀此时所承受载荷的情况，进而采取措施保证滚刀及轴承寿命。

　　（4）测量轴承温度

　　在滚刀切割岩石时，会产生大量的机械能，掘金速度低是，大量的热量无法及时消散，形成高温区，有时可达500℃以上^[2]。这样高的温度作用在轴承上，必然会对轴承产生损坏，降低轴承寿命，因此有必要在轴承上布置温度传感器，实时检测轴承温升，采取适当措施，保证切削温度不至影响轴承寿命。

　　三、需进一步考虑的问题

　　（1）传感器的选型问题针对每一种被测对象，应该选择合适的传感器。一般情况下：

　　而每一种传感器类型又有各种各样的型号与实用范围，因此还需根据具体情况仔细考虑选择那种型号。

　　（2）传感器的布置问题

　　确定被测对象与选定传感器后，还需要考虑传感器在轴承上的布置问题，传感器的布置问题影响着被测信号能否真实的反应轴承的工作情况。

　　（3）轴承与传感器的结合形式确定

　　通常轴承和传感器的结合包括外挂式和嵌入式两种结构形式。

　　四、参考文献

　　[1]陈启伟，陈馈，韩伟峰.隧道掘进机滚刀综合性能检测装置及应用[J].制造&检测，2012，（11）：86-88.

　　[2]竺维彬，王晖，鞠世健.复合地层中盾构滚刀磨损原因分析及对策[J].现代隧道技术.2006.43（4）：72-76.