土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主減速器三級(jí)行星齒輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué).pdf

1、土壓平衡盾構(gòu)機(jī)(Shield Tunnelling Machine，STM)是盾構(gòu)法掘進(jìn)施工中的關(guān)鍵裝備，其刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在掘進(jìn)施工中起著驅(qū)動(dòng)刀盤(pán)切割巖土的作用，它包括液壓馬達(dá)、主減速器、小齒輪/大齒圈減速單元。主減速器是盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，采用三級(jí)行星齒輪傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且功率密度高，動(dòng)力學(xué)特性較為復(fù)雜。該主減速器多級(jí)行星齒輪的耦合振動(dòng)會(huì)加速其疲勞失效，其動(dòng)態(tài)性能對(duì)系統(tǒng)可靠性及整機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性有較大影響?；趧?dòng)力學(xué)理論研究主減速器

2、振動(dòng)特性，并通過(guò)型式試驗(yàn)分析評(píng)價(jià)其動(dòng)態(tài)性能，是開(kāi)展盾構(gòu)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)及產(chǎn)品批量投產(chǎn)前的重要工作。
　　 本課題結(jié)合國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2007AA041802)--“土壓平衡盾構(gòu)大功率減速器”的研究任務(wù)，并考慮到盾構(gòu)機(jī)的實(shí)際工況要求和項(xiàng)目指南所規(guī)定的具體指標(biāo)，針對(duì)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)三級(jí)行星減速器的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題開(kāi)展了較全面深入的研究。主要研究?jī)?nèi)容包括以下方面：
　　 ①盾構(gòu)機(jī)主減速器三級(jí)行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)
　　 基于

3、齒輪嚙合理論和Lagrange方程，運(yùn)用集中參數(shù)法建立了多級(jí)行星齒輪系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算了三級(jí)行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的固有特性。采用梯形波表示嚙合剛度的時(shí)變特征，分析行星齒輪嚙合過(guò)程中的相位關(guān)系，計(jì)算了三級(jí)行星齒輪不同嚙合位置的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)結(jié)構(gòu)頻率。針對(duì)齒輪嚙合誤差特點(diǎn)，采用軸頻和齒頻疊加的諧波函數(shù)表示行星齒輪傳遞誤差，考慮受?chē)Ш舷辔魂P(guān)系影響的行星齒輪系統(tǒng)時(shí)變剛度，系統(tǒng)地分析了多級(jí)行星齒輪傳動(dòng)的內(nèi)部激勵(lì)特征?；谀呈┕?biāo)段盾構(gòu)機(jī)的統(tǒng)計(jì)負(fù)載，

4、考慮系統(tǒng)的內(nèi)外部激勵(lì)，求解了三級(jí)行星齒輪系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并對(duì)齒輪振動(dòng)頻譜特性進(jìn)行了分析。通過(guò)計(jì)算減速器不同轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)構(gòu)件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，研究了齒輪振動(dòng)與盾構(gòu)機(jī)減速器輸入轉(zhuǎn)速的關(guān)系，為盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行工況的選擇提供了依據(jù)。
　　 ②主減速器多級(jí)行星齒輪-箱體耦合動(dòng)力學(xué)研究
　　 考慮各級(jí)齒圈的扭轉(zhuǎn)支撐剛度，采用集中參數(shù)法建立了多級(jí)行星齒輪-箱體的耦合扭轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)模型。運(yùn)用有限元方法獲取了各齒圈的扭轉(zhuǎn)支撐剛度，并在分析行星齒輪嚙

5、合相位和主要內(nèi)部激勵(lì)特征的基礎(chǔ)上，求解了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，分析了各級(jí)齒圈振動(dòng)的時(shí)頻特性和齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)--箱體的耦合振動(dòng)機(jī)理。
　　 ③盾構(gòu)機(jī)主減速器齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)變載工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)
　　 建立了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的刀盤(pán)力學(xué)模型，分析了掘進(jìn)時(shí)的刀盤(pán)載荷特性。利用盾構(gòu)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采集的掘進(jìn)過(guò)程中刀盤(pán)承受的扭矩?cái)?shù)據(jù)，得到主減速器的外部載荷。依據(jù)載荷數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，運(yùn)用隨機(jī)插值和數(shù)據(jù)擬合得到主減速器的連續(xù)載荷譜。求解了盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)主減速

6、器三級(jí)行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)在變載荷工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，分析了其振動(dòng)特征，并研究了主減速器傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)與盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。
　　 ④主減速器箱體模態(tài)分析與實(shí)驗(yàn)
　　 建立了主減速器箱體的有限元模型，計(jì)算了其特征值問(wèn)題，獲取了箱體的低階固有頻率及相應(yīng)振型。開(kāi)展了主減速器箱體的模態(tài)實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用最小二乘復(fù)頻域法分析了模態(tài)數(shù)據(jù)，得到了箱體的固有特性，并通過(guò)模態(tài)置信判據(jù)驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)。通過(guò)對(duì)比理論分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了模

7、態(tài)參數(shù)識(shí)別的可靠性和有效性。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果確定了箱體的薄弱環(huán)節(jié)，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。
　　 ⑤盾構(gòu)機(jī)主減速器動(dòng)態(tài)性能測(cè)試與分析
　　 根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法，進(jìn)行了主減速器的模態(tài)實(shí)驗(yàn)，獲取了系統(tǒng)的頻響函數(shù)及模態(tài)頻率。依據(jù)盾構(gòu)機(jī)三級(jí)行星減速器大傳動(dòng)比的工作特性，采用背靠背能量回饋的試驗(yàn)臺(tái)架，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)性能測(cè)試方案。測(cè)量了多種工況載荷下主減速器的振動(dòng)加速度，分析了其振動(dòng)特性，計(jì)算了主減速器的1/3倍頻程結(jié)構(gòu)噪聲。采用數(shù)值積