利用多维干涉模型对TBM盘式切割器轴承的疲劳可靠性进行评估

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Fatigue reliability assessment of TBM disc cutter bearings using multi-dimensional interference model

TBM盘刀轴承的疲劳可靠性评估研究采用MBD-DEM耦合仿真与数值分析，揭示应力分布符合韦伯分布（形状参数0.67，尺度参数349.41），寿命呈对数正态分布，建立基于多维度干涉理论的评估方法，为岩-盘相互作用机制和轴承寿命优化提供理论支撑。

　　TBM（隧道掘进机）作为现代基础设施建设中的关键技术设备，广泛应用于复杂地质条件下的长距离隧道施工。其中，刀盘轴承作为TBM的核心组件之一，承担着支撑、减摩和精确传动等关键功能。在掘进过程中，这些轴承承受着巨大的交替冲击载荷，同时要求具备较长的使用寿命和高可靠性。然而，当前关于轴承可靠性的研究仍面临诸多挑战，主要体现在如何准确模拟实际载荷以及进行全面可靠性测试所需资源的高昂。因此，有必要探索新的研究方法，以提升TBM刀盘轴承的寿命预测和可靠性评估能力。

刀盘作为TBM掘进系统中的核心执行单元，通过复合的穿刺与滚动运动，在掘进过程中持续对岩体进行破碎。在掘进过程中，刀盘首先受到由轴向推力和扭矩耦合产生的三轴复合应力。这种复合应力不仅影响刀盘本身的结构完整性，也对其中的轴承造成显著的力学负担。轴承作为刀盘的旋转支撑单元，其工作状态直接决定了刀盘的使用寿命。由于轴承在长期运行中承受的多点分布式重载，导致疲劳裂纹的产生成为其主要失效模式。现有的工程数据表明，与轴承相关的故障占据了总机械故障的30%。尽管在轴承制造技术和材料性能方面不断取得进步，但在复杂的冲击和交替应力条件下，疲劳裂纹的出现依然是影响轴承寿命的关键因素。

为了解决这一问题，研究者们在数值分析、理论建模和实验评估等方面进行了大量探索。其中，有限元分析（FEA）作为一种强大的数值工具，被广泛用于研究TBM主轴承的载荷特性。然而，目前针对TBM主轴承复杂运行环境的系统性研究仍显不足。因此，本研究在已有成果的基础上，引入了MBD（多体动力学）与DEM（离散元法）的联合仿真，结合统计分析方法，对TBM刀盘轴承的载荷特性进行深入研究，从而建立一种基于多维干涉理论的疲劳可靠性评估方法。该方法旨在降低实验成本，提高分析效率，同时为TBM刀盘轴承的寿命预测提供理论支持。

MBD与DEM联合仿真技术是一种跨尺度的多物理建模方法，其核心在于实现离散介质与连续介质系统的协同模拟。该方法能够有效解决TBM刀盘在岩体破碎过程中的力学问题，特别是对连续岩体变形的准确表征以及对时间变化接触力的动态监测。通过这种联合仿真，可以更精确地获取刀盘内部的三轴载荷时程曲线，从而为后续的可靠性分析提供基础数据。此外，该方法还能够捕捉到刀盘与岩体之间复杂的相互作用机制，为研究TBM在不同地质条件下的运行性能提供新的视角。

在实际应用中，TBM刀盘轴承的寿命预测不仅关系到设备的维护和更换周期，也直接影响到整个隧道工程的进度和成本。因此，建立一种可靠的预测方法具有重要的工程意义。目前，关于轴承寿命预测的研究主要集中在标准化的轴承配置上，通常采用经验模型和疲劳寿命预测理论进行分析。然而，对于TBM刀盘轴承这种复杂的多体结构，其运行环境和载荷条件具有高度的不确定性，使得传统的预测方法难以准确反映其实际性能。因此，需要引入新的分析框架，以更好地应对这些挑战。

本研究通过MBD与DEM的联合仿真，对TBM刀盘轴承的载荷传递特性进行了系统研究。首先，基于刀盘结构模型，对轴承的载荷谱进行分析，从而获取其在单位载荷条件下的最大应力分布和关键失效区域。随后，采用准静态方法对这些关键区域的应力历史进行分析，特别是对主推力滚子与外圈滚道界面的应力变化进行建模。通过将应力-强度干涉模型与统计理论相结合，建立了基于多维干涉理论的可靠性预测模型，从而实现对TBM刀盘轴承在特定运行参数下的可靠性评估。

在分析过程中，研究者们还发现，关键区域的应力幅值分布符合Weibull分布（形状参数=0.67，尺度参数=349.41），而使用寿命则遵循对数正态分布。基于这些统计特性，研究者们构建了可靠性曲线，该曲线揭示了可靠性与运行周期之间的反向关系。在10^5次运行周期之前，可靠性呈现快速下降趋势，而在10^6次运行周期之后，可靠性开始逐渐降低，最终低于0.85。这一发现为TBM刀盘轴承的疲劳可靠性分析提供了重要的理论依据，同时也为岩体破碎力学的研究提供了新的方向。

此外，本研究还强调了多维干涉理论在可靠性预测中的重要性。该理论能够将应力与强度的干涉效应进行量化分析，从而更准确地评估轴承在复杂载荷条件下的可靠性。通过引入统计方法，研究者们能够对不同运行条件下的可靠性进行预测，为TBM的设计和优化提供科学依据。同时，该方法还能够帮助工程师识别关键失效区域，从而在设计阶段进行针对性优化，减少不必要的实验成本。

在实际应用中，TBM刀盘轴承的寿命预测不仅关系到设备的维护和更换周期，也直接影响到整个隧道工程的进度和成本。因此，建立一种可靠的预测方法具有重要的工程意义。目前，关于轴承寿命预测的研究主要集中在标准化的轴承配置上，通常采用经验模型和疲劳寿命预测理论进行分析。然而，对于TBM刀盘轴承这种复杂的多体结构，其运行环境和载荷条件具有高度的不确定性，使得传统的预测方法难以准确反映其实际性能。因此，需要引入新的分析框架，以更好地应对这些挑战。

本研究通过MBD与DEM的联合仿真，对TBM刀盘轴承的载荷传递特性进行了系统研究。首先，基于刀盘结构模型，对轴承的载荷谱进行分析，从而获取其在单位载荷条件下的最大应力分布和关键失效区域。随后，采用准静态方法对这些关键区域的应力历史进行分析，特别是对主推力滚子与外圈滚道界面的应力变化进行建模。通过将应力-强度干涉模型与统计理论相结合，建立了基于多维干涉理论的可靠性预测模型，从而实现对TBM刀盘轴承在特定运行参数下的可靠性评估。

在分析过程中，研究者们还发现，关键区域的应力幅值分布符合Weibull分布（形状参数=0.67，尺度参数=349.41），而使用寿命则遵循对数正态分布。基于这些统计特性，研究者们构建了可靠性曲线，该曲线揭示了可靠性与运行周期之间的反向关系。在10^5次运行周期之前，可靠性呈现快速下降趋势，而在10^6次运行周期之后，可靠性开始逐渐降低，最终低于0.85。这一发现为TBM刀盘轴承的疲劳可靠性分析提供了重要的理论依据，同时也为岩体破碎力学的研究提供了新的方向。

此外，本研究还强调了多维干涉理论在可靠性预测中的重要性。该理论能够将应力与强度的干涉效应进行量化分析，从而更准确地评估轴承在复杂载荷条件下的可靠性。通过引入统计方法，研究者们能够对不同运行条件下的可靠性进行预测，为TBM的设计和优化提供科学依据。同时，该方法还能够帮助工程师识别关键失效区域，从而在设计阶段进行针对性优化，减少不必要的实验成本。

本研究还提出了一种基于MBD-DEM联合仿真的数值模拟框架，用于预测TBM刀盘轴承的疲劳可靠性。该框架结合了异构的多维干涉模型和统计分析方法，能够在不同运行条件下对轴承的可靠性进行有效评估。研究者们通过实验测试和声发射（AE）监测，对刀盘在不同地质条件下的性能进行了比较，进一步验证了该方法的可行性。此外，该方法还能够为TBM刀盘轴承的设计优化提供理论支持，帮助工程师在设计阶段进行参数调整，以提高设备的可靠性和使用寿命。

在实际应用中，TBM刀盘轴承的寿命预测不仅关系到设备的维护和更换周期，也直接影响到整个隧道工程的进度和成本。因此，建立一种可靠的预测方法具有重要的工程意义。目前，关于轴承寿命预测的研究主要集中在标准化的轴承配置上，通常采用经验模型和疲劳寿命预测理论进行分析。然而，对于TBM刀盘轴承这种复杂的多体结构，其运行环境和载荷条件具有高度的不确定性，使得传统的预测方法难以准确反映其实际性能。因此，需要引入新的分析框架，以更好地应对这些挑战。

本研究通过MBD与DEM的联合仿真，对TBM刀盘轴承的载荷传递特性进行了系统研究。首先，基于刀盘结构模型，对轴承的载荷谱进行分析，从而获取其在单位载荷条件下的最大应力分布和关键失效区域。随后，采用准静态方法对这些关键区域的应力历史进行分析，特别是对主推力滚子与外圈滚道界面的应力变化进行建模。通过将应力-强度干涉模型与统计理论相结合，建立了基于多维干涉理论的可靠性预测模型，从而实现对TBM刀盘轴承在特定运行参数下的可靠性评估。

在分析过程中，研究者们还发现，关键区域的应力幅值分布符合Weibull分布（形状参数=0.67，尺度参数=349.41），而使用寿命则遵循对数正态分布。基于这些统计特性，研究者们构建了可靠性曲线，该曲线揭示了可靠性与运行周期之间的反向关系。在10^5次运行周期之前，可靠性呈现快速下降趋势，而在10^6次运行周期之后，可靠性开始逐渐降低，最终低于0.85。这一发现为TBM刀盘轴承的疲劳可靠性分析提供了重要的理论依据，同时也为岩体破碎力学的研究提供了新的方向。

此外，本研究还强调了多维干涉理论在可靠性预测中的重要性。该理论能够将应力与强度的干涉效应进行量化分析，从而更准确地评估轴承在复杂载荷条件下的可靠性。通过引入统计方法，研究者们能够对不同运行条件下的可靠性进行预测，为TBM的设计和优化提供科学依据。同时，该方法还能够帮助工程师识别关键失效区域，从而在设计阶段进行针对性优化，减少不必要的实验成本。

本研究还提出了一种基于MBD-DEM联合仿真的数值模拟框架，用于预测TBM刀盘轴承的疲劳可靠性。该框架结合了异构的多维干涉模型和统计分析方法，能够在不同运行条件下对轴承的可靠性进行有效评估。研究者们通过实验测试和声发射（AE）监测，对刀盘在不同地质条件下的性能进行了比较，进一步验证了该方法的可行性。此外，该方法还能够为TBM刀盘轴承的设计优化提供理论支持，帮助工程师在设计阶段进行参数调整，以提高设备的可靠性和使用寿命。

综上所述，本研究通过引入MBD-DEM联合仿真和统计分析方法，对TBM刀盘轴承的载荷传递特性进行了深入研究，建立了基于多维干涉理论的疲劳可靠性评估模型。该模型不仅能够准确预测轴承在不同运行条件下的可靠性，还能够为TBM的设计和优化提供科学依据。尽管该方法在实际应用中仍面临一些挑战，如计算成本较高、参数校准困难、简化误差和复杂的验证过程，但其价值依然显著。该方法能够在一定程度上平衡高成本的物理实验与过于简化的模型，使其在机制研究、参数敏感性分析和设计阶段优化等方面具有广泛的应用前景。