盾構(gòu)機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)彎扭耦合及偏載效應(yīng)研究.pdf

1、盾構(gòu)機(jī)是一種集開挖、支護(hù)、推進(jìn)、襯砌等多種作業(yè)功能于一體，專用于地下隧道工程開挖的技術(shù)密集型重大工程裝備，正在國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。盾構(gòu)機(jī)一般依靠多個(gè)電機(jī)冗余驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)帶動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)進(jìn)行巖土切削。冗余驅(qū)動(dòng)方式雖然能夠提供巨大的驅(qū)動(dòng)力，但會(huì)由運(yùn)動(dòng)誤差產(chǎn)生異常內(nèi)力，造成驅(qū)動(dòng)電機(jī)偏載，容易導(dǎo)致斷軸、堵停等事故的發(fā)生。因此，對(duì)盾構(gòu)機(jī)載荷傳遞特性進(jìn)行研究，對(duì)盾構(gòu)機(jī)的總體設(shè)計(jì)、施工控制以及事故預(yù)防都具有十分重要的意義。本文以某

2、型盾構(gòu)機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析彎矩和徑向力聯(lián)合作用下的大型回轉(zhuǎn)支承剛度；基于Weber能量法建立內(nèi)嚙合齒輪剛度計(jì)算模型，以求解時(shí)變的嚙合綜合剛度；在此基礎(chǔ)上，對(duì)盾構(gòu)機(jī)中的齒輪-軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)建立彎扭耦合模型，研究回轉(zhuǎn)支承變形帶來的位移擾動(dòng)對(duì)小齒輪軸承載條件產(chǎn)生的影響，并使用附加嚙合力函數(shù)進(jìn)行描述；進(jìn)而對(duì)該型盾構(gòu)機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行典型工況仿真，對(duì)其由彎扭耦合作用帶來的偏載效應(yīng)進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，為盾構(gòu)機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)以及控制策略提供理論

3、基礎(chǔ)。本文主要內(nèi)容可以總結(jié)為以下幾個(gè)方面：1、建立了盾構(gòu)機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承的有限元模型，通過幾何等效方法將各個(gè)滾子滾道間的接觸變形轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈幾何中心的整體位移。分別分析了徑向載荷，軸向載荷，傾覆力矩載荷三種受載工況下回轉(zhuǎn)支承的變形特性，得到了該型回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈的整體徑向剛度、軸向載荷以及傾覆剛度，為進(jìn)一步對(duì)位移擾動(dòng)量的計(jì)算提供了依據(jù)。2、基于Weber能量方法推導(dǎo)出內(nèi)嚙合齒輪單齒副剛度計(jì)算公式，并利用該公式求解盾構(gòu)機(jī)內(nèi)嚙

4、合輪齒的單齒副剛度值。針對(duì)齒輪嚙合過程中交替出現(xiàn)的單齒嚙合階段和雙齒嚙合階段，以及兩個(gè)階段之間產(chǎn)生的嚙合剛度突變，將非線性綜合嚙合剛度表示為關(guān)于重合度的函數(shù)，以考察彎扭耦合帶來的重合度變化對(duì)嚙合剛度的影響。3、針對(duì)現(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)多電機(jī)冗余驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)以及回轉(zhuǎn)支承剛度分析的結(jié)果，分析主軸承受載變形對(duì)齒輪傳動(dòng)的影響。建立了齒輪耦合的二平行軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)徑向力及傾覆力矩作用下的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)彎扭耦合效應(yīng)進(jìn)行了研究。提出用附加嚙合力來表