盾构机回转系统弯扭耦合及偏载效应研究

论文摘要

盾构机是一种集开挖、支护、推进、衬砌等多种作业功能于一体,专用于地下隧道工程开挖的技术密集型重大工程装备,正在国家基础设施建设中发挥着越来越重要的作用。盾构机一般依靠多个电机冗余驱动的回转系统带动刀盘旋转进行岩土切削。冗余驱动方式虽然能够提供巨大的驱动力,但会由运动误差产生异常内力,造成驱动电机偏载,容易导致断轴、堵停等事故的发生。因此,对盾构机载荷传递特性进行研究,对盾构机的总体设计、施工控制以及事故预防都具有十分重要的意义。本文以某型盾构机回转系统为研究对象,分析弯矩和径向力联合作用下的大型回转支承刚度;基于Weber能量法建立内啮合齿轮刚度计算模型,以求解时变的啮合综合刚度;在此基础上,对盾构机中的齿轮-轴承-转子系统建立弯扭耦合模型,研究回转支承变形带来的位移扰动对小齿轮轴承载条件产生的影响,并使用附加啮合力函数进行描述;进而对该型盾构机回转系统进行典型工况仿真,对其由弯扭耦合作用带来的偏载效应进行分析与评价,为盾构机回转系统的机械优化设计以及控制策略提供理论基础。本文主要内容可以总结为以下几个方面:1、建立了盾构机回转系统三排滚柱式回转支承的有限元模型,通过几何等效方法将各个滚子滚道间的接触变形转化为回转支承内圈几何中心的整体位移。分别分析了径向载荷,轴向载荷,倾覆力矩载荷三种受载工况下回转支承的变形特性,得到了该型回转支承内圈的整体径向刚度、轴向载荷以及倾覆刚度,为进一步对位移扰动量的计算提供了依据。2、基于Weber能量方法推导出内啮合齿轮单齿副刚度计算公式,并利用该公式求解盾构机内啮合轮齿的单齿副刚度值。针对齿轮啮合过程中交替出现的单齿啮合阶段和双齿啮合阶段,以及两个阶段之间产生的啮合刚度突变,将非线性综合啮合刚度表示为关于重合度的函数,以考察弯扭耦合带来的重合度变化对啮合刚度的影响。3、针对现有盾构机回转系统多电机冗余驱动的特点以及回转支承刚度分析的结果,分析主轴承受载变形对齿轮传动的影响。建立了齿轮耦合的二平行轴转子系统的动力学方程,对径向力及倾覆力矩作用下的回转系统弯扭耦合效应进行了研究。提出用附加啮合力来表达齿轮位移扰动对传动特性的影响,并得到了附加啮合力与位移扰动以及时变啮合刚度之间关系。4、基于国内较为典型的某种机型的真实结构以及实际工况条件,建立该机型回转系统的弯扭耦合仿真模型。求解其在弯矩与径向力联合作用下所产生的附加啮合力,以此来描述该多电机驱动系统偏载效应。对两种不同的小齿轮布置方案从偏载角度进行对比分析与评价,为盾构机回转系统防偏载设计提供了依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 回转支承刚度及变形特性
• 1.2.2 齿轮刚度理论计算方法
• 1.2.3 齿轮-轴承-转子弯扭耦合
• 1.3 本文主要内容
• 第二章 盾构机回转支承刚度特性
• 2.1 几何模型以及载荷等效
• 2.1.1 回转支承结构特点
• 2.1.2 赫兹接触模型
• 2.1.3 载荷等效
• 2.2 有限元模型
• 2.2.1 建立三维实体模型
• 2.2.2 网格划分及边界条件
• 2.3 计算结果分析
• 2.3.1 径向刚度计算结果
• 2.3.2 轴向刚度计算结果
• 2.3.3 倾覆刚度计算结果
• 2.4 本章小结
• 第三章 内啮合齿轮刚度建模及理论计算
• 3.1 啮合刚度定义及计算方法
• 3.2 基于WEBER 能量法的单齿副刚度计算
• 3.2.1 外啮合齿轮单齿副刚度
• 3.2.2 内啮合齿轮单齿副刚度
• 3.2.3 刚度公式的积分上限推导
• 3.2.4 单齿副刚度计算结果分析
• 3.3 啮合综合刚度
• 3.4 本章小结
• 第四章 盾构机回转系统弯扭耦合建模
• 4.1 弯扭耦合现象与盾构机偏载
• 4.2 弯扭耦合两种模型
• 4.2.1 力耦合模型
• 4.2.2 几何耦合模型
• 4.3 弯扭耦合建模
• 4.3.1 多个啮合齿对的位移扰动量
• 4.3.2 内啮合齿对的弯扭耦合作用
• 4.3.3 刚性齿条件下的附加啮合力推导
• 4.3.4 弹性齿条件下的附加啮合力推导
• 4.4 本章小结
• 第五章 某型盾构机弯扭耦合仿真分析
• 5.1 模型参数及仿真条件
• 5.2 仿真计算结果分析
• 5.2.1 刚性齿条件下的弯扭耦合计算结果
• 5.2.2 弹性齿条件下的弯扭耦合计算结果
• 5.2.3 两种小齿轮布置方案比较分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文