土壓平衡盾構(gòu)機主減速器三級行星齒輪系統(tǒng)動力學(xué).pdf

1、土壓平衡盾構(gòu)機(Shield Tunnelling Machine，STM)是盾構(gòu)法掘進施工中的關(guān)鍵裝備，其刀盤驅(qū)動系統(tǒng)在掘進施工中起著驅(qū)動刀盤切割巖土的作用，它包括液壓馬達、主減速器、小齒輪/大齒圈減速單元。主減速器是盾構(gòu)機刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的核心部件，采用三級行星齒輪傳動，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且功率密度高，動力學(xué)特性較為復(fù)雜。該主減速器多級行星齒輪的耦合振動會加速其疲勞失效，其動態(tài)性能對系統(tǒng)可靠性及整機運行穩(wěn)定性有較大影響?；趧恿W(xué)理論研究主減速器

2、振動特性，并通過型式試驗分析評價其動態(tài)性能，是開展盾構(gòu)機整機試驗及產(chǎn)品批量投產(chǎn)前的重要工作。
　　 本課題結(jié)合國家863計劃資助項目(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)機的實際工況要求和項目指南所規(guī)定的具體指標，針對土壓平衡盾構(gòu)機三級行星減速器的動力學(xué)問題開展了較全面深入的研究。主要研究內(nèi)容包括以下方面：
　　 ①盾構(gòu)機主減速器三級行星齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)
　　 基于

3、齒輪嚙合理論和Lagrange方程，運用集中參數(shù)法建立了多級行星齒輪系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)動力學(xué)模型，計算了三級行星齒輪傳動系統(tǒng)的固有特性。采用梯形波表示嚙合剛度的時變特征，分析行星齒輪嚙合過程中的相位關(guān)系，計算了三級行星齒輪不同嚙合位置的扭轉(zhuǎn)振動結(jié)構(gòu)頻率。針對齒輪嚙合誤差特點，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，考慮受嚙合相位關(guān)系影響的行星齒輪系統(tǒng)時變剛度，系統(tǒng)地分析了多級行星齒輪傳動的內(nèi)部激勵特征?；谀呈┕硕味軜?gòu)機的統(tǒng)計負載，

4、考慮系統(tǒng)的內(nèi)外部激勵，求解了三級行星齒輪系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，并對齒輪振動頻譜特性進行了分析。通過計算減速器不同轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)構(gòu)件的動態(tài)響應(yīng)，研究了齒輪振動與盾構(gòu)機減速器輸入轉(zhuǎn)速的關(guān)系，為盾構(gòu)機驅(qū)動系統(tǒng)運行工況的選擇提供了依據(jù)。
　　 ②主減速器多級行星齒輪-箱體耦合動力學(xué)研究
　　 考慮各級齒圈的扭轉(zhuǎn)支撐剛度，采用集中參數(shù)法建立了多級行星齒輪-箱體的耦合扭轉(zhuǎn)動力學(xué)模型。運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)部激勵特征的基礎(chǔ)上，求解了系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)，分析了各級齒圈振動的時頻特性和齒輪傳動系統(tǒng)--箱體的耦合振動機理。
　　 ③盾構(gòu)機主減速器齒輪傳動系統(tǒng)變載工況下的動態(tài)響應(yīng)
　　 建立了土壓平衡盾構(gòu)機的刀盤力學(xué)模型，分析了掘進時的刀盤載荷特性。利用盾構(gòu)機監(jiān)控系統(tǒng)采集的掘進過程中刀盤承受的扭矩數(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，運用隨機插值和數(shù)據(jù)擬合得到主減速器的連續(xù)載荷譜。求解了盾構(gòu)機刀盤驅(qū)動主減速

6、器三級行星齒輪傳動系統(tǒng)在變載荷工況下的動態(tài)響應(yīng)，分析了其振動特征，并研究了主減速器傳動系統(tǒng)振動響應(yīng)與盾構(gòu)機刀盤轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。
　　 ④主減速器箱體模態(tài)分析與實驗
　　 建立了主減速器箱體的有限元模型，計算了其特征值問題，獲取了箱體的低階固有頻率及相應(yīng)振型。開展了主減速器箱體的模態(tài)實驗，運用最小二乘復(fù)頻域法分析了模態(tài)數(shù)據(jù)，得到了箱體的固有特性，并通過模態(tài)置信判據(jù)驗證了實驗?zāi)B(tài)參數(shù)。通過對比理論分析結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)，驗證了模

7、態(tài)參數(shù)識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)機主減速器動態(tài)性能測試與分析
　　 根據(jù)實驗?zāi)B(tài)分析方法，進行了主減速器的模態(tài)實驗，獲取了系統(tǒng)的頻響函數(shù)及模態(tài)頻率。依據(jù)盾構(gòu)機三級行星減速器大傳動比的工作特性，采用背靠背能量回饋的試驗臺架，設(shè)計了動態(tài)性能測試方案。測量了多種工況載荷下主減速器的振動加速度，分析了其振動特性，計算了主減速器的1/3倍頻程結(jié)構(gòu)噪聲。采用數(shù)值積