盾构机双驱动大功率行星减速器的特性分析

论文摘要

盾构机是集机、电、液、控于一体,专门用于开挖地下隧道工程的技术密集型重大工程装备。大功率行星减速器作为盾构机的关键部件之一,其性能好坏直接影响盾构机的工作性能。用于盾构机的减速装置工作环境恶劣,要经受重载荷和高冲击,并且必须具备大功率、大扭矩输出等功能。其设计制造加工要求高,世界上只有日本,德国等少数国家的企业能生产,且成本很高。因此,研究盾构机大功率齿轮传动系统,对提高我国盾构机减速器的自主创新能力,促进城市化建设进程,具有重要意义。本文阐述了盾构机的工作原理,分析了盾构机及其减速装置国内外的发展和现状。在高度总结概括盾构机变速装置工作要求的基础上,设计出一种新型的盾构机双驱动大功率行星齿轮减速器。该减速器由一个差动机构和一个两级封闭机构复合而成的多流传动系统,具有传动比大、承载能力强等优点,并且能以一个减速器取代传统系统中的多套变速装置。主要研究内容如下:根据机械原理及齿轮啮合原理,采用行列式法建立了系统联系图,推导了减速器的运动学方程;分析了双驱动减速器的传动特性,得到了传动比、内部转速及内部扭矩的关系和变化规律。应用功率键合图理论及机械系统动力学原理,建立了差动机构、封闭机构及整体的键合图动力学模型,推导了减速器的状态方程,模拟仿真了减速器的动态特性。分析了不同输入条件下系统的内部各变量的变化规律及影响因素。根据齿轮啮合原理,应用3-D的设计方法,建立了盾构机双驱动行星减速器各零部件的三维实体模型,按照各构件的实际连接关系,并进行了虚拟装配。设计虚拟实验,建立了减速器的运行机构,进行运动学仿真,验证了传动比的正确性,直观的反映了各构件的运动状况;运用有限元分析方法,从结构静力学、非线性接触以及模态等三个方面,验证了盾构机双驱动行星减速器的结构合理性,并为进一步的研究奠定了基础。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 盾构机简介
• 1.1.1 盾构机的工作原理
• 1.1.2 国外盾构机的发展及现状
• 1.1.3 国内盾构机的发展及现状
• 1.2 盾构机主驱动变速装置概况
• 1.3 功率键合图理论及应用现状
• 1.4 课题来源、研究意义及研究内容
• 1.4.1 课题的研究意义
• 1.4.2 课题研究的主要内容
• 2 盾构机双驱动减速器的方案设计及原理分析
• 2.1 盾构机变速装置的设计要求
• 2.2 减速器的传动原理
• 2.2.1 差动部分传动原理
• 2.2.2 封闭部分传动原理
• 2.3 减速器的设计特点
• 2.3.1 差动部分的设计特点
• 2.3.2 封闭部分的设计特点
• 2.3.3 均载机构
• 2.4 本章小结
• 3 盾构机双驱动减速器的结构优化及运动分析
• 3.1 优化设计方法
• 3.1.1 基本数学原理
• 3.1.2 相关函数介绍
• 3.2 减速器的优化设计
• 3.2.1 优化设计原则
• 3.2.2 编程并求解
• 3.3 减速器的运动学分析
• 3.3.1 基本轮系的行列式方程
• 3.3.2 系统的传动比、转速及扭矩关系
• 3.4 减速器的传动特性分析
• 3.5 本章小结
• 4 盾构机双驱动减速器的动力学仿真
• 4.1 功率键合图理论概述
• 4.2 减速器的功率键合图模型
• 4.2.1 2k-H 型行星机构的建模方法
• 4.2.2 减速器的功率键合图模型
• 4.3 减速器的状态方程
• 4.3.1 系统状态方程的列写原则
• 4.3.2 系统的状态方程
• 4.4 基于matlab 的动态仿真分析
• 4.4.1 仿真模型建立
• 4.4.2 仿真结果分析
• 4.5 本章小结
• 5 盾构机双驱动减速器的三维实体造型及虚拟装配
• 5.1 主要零件的三维造型
• 5.1.1 渐开线和过渡曲线方程
• 5.1.2 系统主要构件的三维造型
• 5.1.3 其它构件的三维造型
• 5.2 减速器的虚拟装配
• 5.3 本章小结
• 6 虚拟实验研究
• 6.1 运动学仿真实验
• 6.2 静力学仿真实验
• 6.2.1 静力分析的基本步骤
• 6.2.2 太阳轮Ⅰ的有限元分析
• 6.2.3 太阳轮Ⅲ的有限元分析
• 6.2.4 行星架Ⅲ的有限元分析
• 6.3 非线性接触分析
• 6.3.1 接触有限元分析
• 6.3.2 摩擦系数对齿轮接触应力的影响
• 6.4 动力学仿真实验
• 6.5 本章小结
• 7 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士学位期间申请的专利目录
• B. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录
• C. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目