盾構機冗余驅動回轉系統(tǒng)動態(tài)特性研究.pdf

1、盾構機是一種隧道掘進的專用工程機械，它廣泛地應用于城市地鐵、公路隧道等隧道工程之中。國產盾構機于地下施工作業(yè)時，其回轉系統(tǒng)常常發(fā)生刀盤堵轉，極端情況下甚至出現(xiàn)電機傳動軸斷裂等重大事故，導致無法連續(xù)施工作業(yè)，造成巨大的經濟損失。作為直接承擔掘進負載的盾構機回轉系統(tǒng)，出于大功率大扭矩的需要，一般采用多電機冗余驅動，與此對應采用多點嚙合齒輪傳動。冗余驅動和多點嚙合傳動動力傳遞過程復雜，其動態(tài)特性和一般靜定機械系統(tǒng)有所不同，面臨的新問題是驅動、

2、傳動系統(tǒng)的均載性和整個回轉系統(tǒng)的穩(wěn)定性。盾構機冗余驅動回轉系統(tǒng)極易發(fā)生驅動負荷分配不均和載荷積聚，導致個別傳動小齒輪輪齒斷裂、驅動電機斷軸等重大事故。國產盾構機在設計時大多直接借鑒發(fā)達國家的成熟型號，缺乏對盾構機冗余驅動回轉系統(tǒng)動態(tài)特性的深入理論研究。因此，進行盾構機冗余驅動回轉系統(tǒng)動態(tài)特性的研究，對于提高其均載性與穩(wěn)定性，降低載荷分配不均，防止斷軸等事故的發(fā)生，保證盾構機的正常施工作業(yè)具有重要意義。
　　本文以盾構機冗余驅動回轉

3、系統(tǒng)為研究對象，針對其冗余驅動與多點嚙合傳動特點，提出多點嚙合傳動動力穩(wěn)定性判據，基于此建立冗余驅動回轉系統(tǒng)均載性判別方法，闡明盾構機冗余驅動回轉系統(tǒng)偏載斷軸的發(fā)生機理。論文首先建立了考慮掘進過程諸多因素的盾構機掘進動力學模型;針對多點嚙合齒輪傳動，基于Floquet-Lyapunov理論，提出了其動力穩(wěn)定性判據;在此基礎上，進一步提出了冗余驅動回轉系統(tǒng)的均載性判別方法;應用上述理論成果，對某型盾構機回轉系統(tǒng)復合地層下掘進的動態(tài)特性進行

4、仿真與評價，提出參數(shù)改進設計方案;研制盾構機回轉系統(tǒng)模擬掘進實驗臺，進行載荷模擬實驗加以驗證。論文內容包括以下幾個部分:
　　(1)盾構機掘進動力學模型的研究
　　基于盾構機掘進過程中的受載分析，建立較為完整考慮冗余驅動回轉系統(tǒng)、液壓推進系統(tǒng)、盾體、地質條件等諸多要素相互作用的盾構機掘進動力學模型。該模型引入多電機矢量控制變頻調速驅動、多點嚙合齒輪傳動、動態(tài)變化掘進負載等影響冗余驅動回轉系統(tǒng)動力傳遞的關鍵因素，為分析盾構機冗

5、余驅動回轉系統(tǒng)的動態(tài)特性提供前提條件。
　　(2)多點嚙合齒輪傳動動力穩(wěn)定性判據的研究
　　針對齒輪時變嚙合剛度引起的參數(shù)振動動力穩(wěn)定性問題，基于Floquet-Lyapunov理論，提出多點嚙合齒輪傳動動力穩(wěn)定性判據。經由計算系統(tǒng)狀態(tài)方程的最大Floquet乘子，判斷其與單位圓關系，判別多點嚙合傳動動力穩(wěn)定性，為降低盾構機冗余驅動回轉系統(tǒng)動力不穩(wěn)定性進行了參數(shù)研究。
　　(3)冗余驅動回轉系統(tǒng)均載性分析方法的研究

6、r>　　在冗余驅動回轉系統(tǒng)穩(wěn)定性判據的基礎上，針對齒輪嚙合扭轉與支承彈性變形耦合引起的負荷分配不均的問題，基于Floquet-Lyapunov理論，提出了冗余驅動回轉系統(tǒng)均載因子，進行系統(tǒng)均載性分析，為預測評價盾構機冗余驅動回轉系統(tǒng)均載性提供了理論依據。
　　(4)盾構機回轉系統(tǒng)復合地層掘進動態(tài)特性的研究
　　針對某型盾構機回轉系統(tǒng)，對其在復合地層中掘進的動態(tài)性能進行仿真，基于其在復雜掘進負載下響應特性與動態(tài)均載特性，提出參

7、數(shù)改進與結構優(yōu)化建議。結果表明，采用驅動周向均勻布置方式，用柔性支承取代傳統(tǒng)傳動小齒輪支承，將傳動小齒輪與驅動偏離特定位置，減小盾體前盾長度與盾體總長度之比等措施，可以有效地提高盾構機冗余驅動回轉系統(tǒng)均載性，避免動態(tài)掘進負載引起的偏載斷軸事故發(fā)生。
　　(5)盾構機回轉系統(tǒng)掘進模擬實驗的研究
　　以研究盾構機回轉系統(tǒng)動態(tài)特性為目標，按照相似性理論建立盾構機掘進模擬實驗臺，驗證回轉系統(tǒng)結構參數(shù)與載荷性質對系統(tǒng)動態(tài)均載性的影響。

8、結果表明，軸向與彎矩負載作用下，回轉系統(tǒng)各驅動電機間易產生偏載，且負荷分配與傳動小齒輪安裝布置位置有關;將傳動小齒輪與驅動電機布置偏離特定位置能大幅度改善驅動偏載現(xiàn)象，實驗結果與理論分析較為吻合。
　　論文提出了多點嚙合傳動動力穩(wěn)定性判據，基于此建立了冗余驅動回轉系統(tǒng)均載性分析方法。應用理論成果對某型盾構機回轉系統(tǒng)進行了其均載性預測評價，提出了相應的參數(shù)改進方案，可以有效改善回轉系統(tǒng)在復雜掘進負載下的動態(tài)特性，提高其動態(tài)均載性能，