盾构刀盘多小齿轮和大齿轮并联传动动力学分析

摘要

土压平衡盾构机广泛应用于地下空间的开发利用，盾构刀盘驱动系统是其关键部件之一。刀盘的转动是由液压马达带动减速器、减速器带动小齿轮，继而驱动大齿轮转动，从而驱动刀盘转动的。目前，对减速器的动力学研究较多，而因为多个小齿轮和大齿轮传动系统与刀盘相连接，直接受到刀具掘进过程中的冲击载荷作用，易发生偏载、共振和断齿等现象，力学机理复杂，很少有人对此进行深入研究。本文通过广泛调研，分析了土压平衡盾构掘进刀盘扭矩的计算方法，研制了刀盘驱动系统实验平台，并通过理论分析、仿真模拟和试验方法，深入研究了刀盘驱动系统末端三个小齿轮和大齿轮并联传动的力学行为，取得的主要研究成果如下：
　　(1)根据土压平衡盾构驱动系统实验平台的技术要求，通过分析计算，研制了一台模型盾构机。
　　(2)在考虑了弯扭耦合振动的情况下，建立了单齿轮副的集中参数模型，将其推广到了盾构机三个小齿轮和大齿轮并联传动的模型中，建立了盾构机齿轮传动的集中参数模型。通过分析齿轮传动的特点，得到了基于梯形波的齿轮副啮合刚度。
　　(3)运用有限元软件 ABAQUS，建立了盾构机三个小齿轮和大齿轮的约束模态有限元模型，分析了齿轮系统的固有频率和振型；建立了齿轮啮合传动的动态仿真模型，得到了传动齿轮在实际工作过程中不同啮合位置的应力云图、各个小齿轮和大齿轮之间的动态啮合力曲线以及系统的外力功、动能和总能量等，通过试验结果验证了计算模型的有效性和精确性。
　　(4)基于多体动力学软件ADAMS，建立了盾构机多个小齿轮和大齿轮的动力学模型，得到了不同因素影响下并联齿轮传动的动态啮合力和大齿轮的加速度响应曲线，将仿真结果和理想工况下比较分析，得出了三个小齿轮启动不同步、中心距不同、大齿轮受到冲击载荷以及和大齿轮啮合传动的小齿轮数目等均对齿轮啮合力有较大的影响，都会使各个齿轮之间发生偏载，同时，还会加剧大齿轮的振动。

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第1章 绪论

1.1 本文的研究背景及意义

1.2 盾构驱动研究现状

1.3 齿轮传动系统动力学的研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 土压平衡盾构主驱动系统实验平台设计

2.1 引言

2.2 土压平衡盾构实验平台

2.3 土压平衡盾构机主驱动系统

2.4 土压平衡盾构机刀盘扭矩分析

2.5 盾构实验平台传动齿轮的设计

2.6 本章小结

第3章 刀盘驱动齿轮系统动力学分析

3.1 引言

3.2 齿轮传动动力学模型

3.3 三个小齿轮和大齿轮传动系统的误差计算

3.4 齿轮的啮合刚度

3.6 本章小结

第4章 多小齿轮和大齿轮有限元仿真分析

4.1 引言

4.2 模态分析

4.3 齿轮传动系统动态有限元建立

4.4 计算结果及分析

4.5 计算与试验结果对比分析

4.6 本章小结

第5章 多小齿轮和大齿轮动力学仿真分析

5.1 引言

5.2 刀盘驱动小齿轮与大齿轮啮合动力学方程

5.3 接触处理及计算参数的设置

5.4 理想状态下仿真计算分析

5.5 非理想状态下齿轮接触力影响因素分析

5.6 非理想状况下大齿轮加速度响应的影响因素分析

5.7 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的论文