盾構(gòu)機(jī)冗余驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究.pdf

1、盾構(gòu)機(jī)是一種隧道掘進(jìn)的專用工程機(jī)械，它廣泛地應(yīng)用于城市地鐵、公路隧道等隧道工程之中。國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)于地下施工作業(yè)時(shí)，其回轉(zhuǎn)系統(tǒng)常常發(fā)生刀盤堵轉(zhuǎn)，極端情況下甚至出現(xiàn)電機(jī)傳動(dòng)軸斷裂等重大事故，導(dǎo)致無法連續(xù)施工作業(yè)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。作為直接承擔(dān)掘進(jìn)負(fù)載的盾構(gòu)機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，出于大功率大扭矩的需要，一般采用多電機(jī)冗余驅(qū)動(dòng)，與此對(duì)應(yīng)采用多點(diǎn)嚙合齒輪傳動(dòng)。冗余驅(qū)動(dòng)和多點(diǎn)嚙合傳動(dòng)動(dòng)力傳遞過程復(fù)雜，其動(dòng)態(tài)特性和一般靜定機(jī)械系統(tǒng)有所不同，面臨的新問題是驅(qū)動(dòng)、

2、傳動(dòng)系統(tǒng)的均載性和整個(gè)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。盾構(gòu)機(jī)冗余驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)極易發(fā)生驅(qū)動(dòng)負(fù)荷分配不均和載荷積聚，導(dǎo)致個(gè)別傳動(dòng)小齒輪輪齒斷裂、驅(qū)動(dòng)電機(jī)斷軸等重大事故。國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)大多直接借鑒發(fā)達(dá)國家的成熟型號(hào)，缺乏對(duì)盾構(gòu)機(jī)冗余驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的深入理論研究。因此，進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)冗余驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的研究，對(duì)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(gòu)機(jī)的正常施工作業(yè)具有重要意義。
　　本文以盾構(gòu)機(jī)冗余驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)

3、系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)其冗余驅(qū)動(dòng)與多點(diǎn)嚙合傳動(dòng)特點(diǎn)，提出多點(diǎn)嚙合傳動(dòng)動(dòng)力穩(wěn)定性判據(jù)，基于此建立冗余驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)均載性判別方法，闡明盾構(gòu)機(jī)冗余驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)偏載斷軸的發(fā)生機(jī)理。論文首先建立了考慮掘進(jìn)過程諸多因素的盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)動(dòng)力學(xué)模型;針對(duì)多點(diǎn)嚙合齒輪傳動(dòng)，基于Floquet-Lyapunov理論，提出了其動(dòng)力穩(wěn)定性判據(jù);在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了冗余驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的均載性判別方法;應(yīng)用上述理論成果，對(duì)某型盾構(gòu)機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)復(fù)合地層下掘進(jìn)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行

4、仿真與評(píng)價(jià)，提出參數(shù)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案;研制盾構(gòu)機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)模擬掘進(jìn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行載荷模擬實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。論文內(nèi)容包括以下幾個(gè)部分:
　　(1)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)動(dòng)力學(xué)模型的研究
　　基于盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中的受載分析，建立較為完整考慮冗余驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、液壓推進(jìn)系統(tǒng)、盾體、地質(zhì)條件等諸多要素相互作用的盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)動(dòng)力學(xué)模型。該模型引入多電機(jī)矢量控制變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)、多點(diǎn)嚙合齒輪傳動(dòng)、動(dòng)態(tài)變化掘進(jìn)負(fù)載等影響冗余驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)動(dòng)力傳遞的關(guān)鍵因素，為分析盾構(gòu)機(jī)冗

5、余驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性提供前提條件。
　　(2)多點(diǎn)嚙合齒輪傳動(dòng)動(dòng)力穩(wěn)定性判據(jù)的研究
　　針對(duì)齒輪時(shí)變嚙合剛度引起的參數(shù)振動(dòng)動(dòng)力穩(wěn)定性問題，基于Floquet-Lyapunov理論，提出多點(diǎn)嚙合齒輪傳動(dòng)動(dòng)力穩(wěn)定性判據(jù)。經(jīng)由計(jì)算系統(tǒng)狀態(tài)方程的最大Floquet乘子，判斷其與單位圓關(guān)系，判別多點(diǎn)嚙合傳動(dòng)動(dòng)力穩(wěn)定性，為降低盾構(gòu)機(jī)冗余驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)動(dòng)力不穩(wěn)定性進(jìn)行了參數(shù)研究。
　　(3)冗余驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)均載性分析方法的研究

6、r>　　在冗余驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)齒輪嚙合扭轉(zhuǎn)與支承彈性變形耦合引起的負(fù)荷分配不均的問題，基于Floquet-Lyapunov理論，提出了冗余驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)均載因子，進(jìn)行系統(tǒng)均載性分析，為預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)盾構(gòu)機(jī)冗余驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)均載性提供了理論依據(jù)。
　　(4)盾構(gòu)機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)復(fù)合地層掘進(jìn)動(dòng)態(tài)特性的研究
　　針對(duì)某型盾構(gòu)機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，對(duì)其在復(fù)合地層中掘進(jìn)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行仿真，基于其在復(fù)雜掘進(jìn)負(fù)載下響應(yīng)特性與動(dòng)態(tài)均載特性，提出參

7、數(shù)改進(jìn)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議。結(jié)果表明，采用驅(qū)動(dòng)周向均勻布置方式，用柔性支承取代傳統(tǒng)傳動(dòng)小齒輪支承，將傳動(dòng)小齒輪與驅(qū)動(dòng)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(gòu)機(jī)冗余驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)均載性，避免動(dòng)態(tài)掘進(jìn)負(fù)載引起的偏載斷軸事故發(fā)生。
　　(5)盾構(gòu)機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)掘進(jìn)模擬實(shí)驗(yàn)的研究
　　以研究盾構(gòu)機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性為目標(biāo)，按照相似性理論建立盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，驗(yàn)證回轉(zhuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與載荷性質(zhì)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)均載性的影響。

8、結(jié)果表明，軸向與彎矩負(fù)載作用下，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)各驅(qū)動(dòng)電機(jī)間易產(chǎn)生偏載，且負(fù)荷分配與傳動(dòng)小齒輪安裝布置位置有關(guān);將傳動(dòng)小齒輪與驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置偏離特定位置能大幅度改善驅(qū)動(dòng)偏載現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析較為吻合。
　　論文提出了多點(diǎn)嚙合傳動(dòng)動(dòng)力穩(wěn)定性判據(jù)，基于此建立了冗余驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)均載性分析方法。應(yīng)用理論成果對(duì)某型盾構(gòu)機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了其均載性預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，提出了相應(yīng)的參數(shù)改進(jìn)方案，可以有效改善回轉(zhuǎn)系統(tǒng)在復(fù)雜掘進(jìn)負(fù)載下的動(dòng)態(tài)特性，提高其動(dòng)態(tài)均載性能，