土壓平衡盾構機主減速器三級行星齒輪系統(tǒng)動力學.pdf

1、土壓平衡盾構機(Shield Tunnelling Machine，STM)是盾構法掘進施工中的關鍵裝備，其刀盤驅動系統(tǒng)在掘進施工中起著驅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。主減速器是盾構機刀盤驅動系統(tǒng)的核心部件，采用三級行星齒輪傳動，結構復雜且功率密度高，動力學特性較為復雜。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。基于動力學理論研究主減速器

2、振動特性，并通過型式試驗分析評價其動態(tài)性能，是開展盾構機整機試驗及產品批量投產前的重要工作。
　　 本課題結合國家863計劃資助項目(2007AA041802)--“土壓平衡盾構大功率減速器”的研究任務，并考慮到盾構機的實際工況要求和項目指南所規(guī)定的具體指標，針對土壓平衡盾構機三級行星減速器的動力學問題開展了較全面深入的研究。主要研究內容包括以下方面：
　　 ①盾構機主減速器三級行星齒輪傳動系統(tǒng)動力學
　　 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)的扭轉動力學模型，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系，計算了三級行星齒輪不同嚙合位置的扭轉振動結構頻率。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部激勵特征?；谀呈┕硕味軜嫏C的統(tǒng)計負載，

4、考慮系統(tǒng)的內外部激勵，求解了三級行星齒輪系統(tǒng)的動態(tài)響應，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速下系統(tǒng)構件的動態(tài)響應，研究了齒輪振動與盾構機減速器輸入轉速的關系，為盾構機驅動系統(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-箱體耦合動力學研究
　　 考慮各級齒圈的扭轉支撐剛度，采用集中參數(shù)法建立了多級行星齒輪-箱體的耦合扭轉動力學模型。運用有限元方法獲取了各齒圈的扭轉支撐剛度，并在分析行星齒輪嚙

5、合相位和主要內部激勵特征的基礎上，求解了系統(tǒng)動態(tài)響應，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盾構機主減速器齒輪傳動系統(tǒng)變載工況下的動態(tài)響應
　　 建立了土壓平衡盾構機的刀盤力學模型，分析了掘進時的刀盤載荷特性。利用盾構機監(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。求解了盾構機刀盤驅動主減速

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，分析了其振動特征，并研究了主減速器傳動系統(tǒng)振動響應與盾構機刀盤轉速之間的關系。
　　 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振型。開展了主減速器箱體的模態(tài)實驗，運用最小二乘復頻域法分析了模態(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)驗證了實驗模態(tài)參數(shù)。通過對比理論分析結果和實驗數(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)分析結果確定了箱體的薄弱環(huán)節(jié)，為結構優(yōu)化提供了依據(jù)。
　　 ⑤盾構機主減速器動態(tài)性能測試與分析
　　 根據(jù)實驗模態(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倍頻程結構噪聲。采用數(shù)值積