重载装备机构载荷顺应性设计理论与方法研究

盾构等重载装备是我国重点工程建设、军事与国防工程所急需的重大技术装备，研究其基础科学问题对于开拓核心技术源头创新、打破国外技术垄断、促进科技进步、推动经济社会发展起重要作用。重载装备工作环境恶劣，承受极限载荷、大变突载荷, 对设备运行安全性与稳定性要求极高。因此，如何提出科学合理的设计与评价指标，化解其受重载荷所需的刚性与顺应突变外载荷所需的柔性两者的冲突，进行其设计是研究者探索的焦点问题之一。.　　本项目以重载机构为研究对象，研究其在极限载荷作用下工作性能的内在规律，据此提出其载荷顺应性设计评价指标；揭示其工作能力与机构运动尺寸、运动空间、制造工艺尺寸偏差的内在规律，提出其载荷顺应性设计理论与方法。并以盾构掘进机构为研究实例，探索重载机构设计实践方法；开发顺应性试验平台，以验证所提出设计指标的科学性及所述理论与方法的有效性。研究结果将对其自主创新设计与工程实际应用有现实意义。

重载装备如盾构、TBM等大型掘进装备是我国重点工程建设、军事与国防工程所急需的重大技术装备，研究其基础科学问题对科技创新具有重要意义。该类重载装备机构需要承受来自作业环境的重载荷、大突变载荷及强振动载荷，同时需要传递极限动力，并实现精准的运动和力传递功能。若其刚性不够，将难以承受重载荷；若其柔性不足，将难以顺应大突变载荷。为解决其刚柔冲突的一对矛盾，保证其快速、准确、可靠、安全工作，本项目提出了新的载荷顺应性设计理论与方法。围绕该关键科学问题，开展了以下研究工作：.分别探讨了机构的运动耦合性、变形耦合性及弹性吸能特性的物理意义及其与机构位置精度、所受重载荷、大变载荷和强振动载荷之对应关系，并定义了相应的性能评价指标。据此，定义了机构载荷顺应性设计指标，并建立了以顺应中心为设计约束，以载荷顺应最大为设计目标的推进机构载荷顺应性设计方法。从而保证了按所述指标与方法设计的推进机构，既具备高刚性又具备大柔性。.针对推进缸平行布置的推进机构（简称Π型机构），运用机构微分运动原理和螺旋理论建立了其冗余驱动过约束机构运动与力分析方法，运用虚位移原理建立了其结构刚度分析模型。研究了其刚度与机构结构尺度、工作空间、载荷作用空间之关系，得到了关键设计与分析参数，给出了表达直观的载荷顺应性设计图谱。导出了刚度矩阵变换式，并对刚度阵解耦分析，实现了顺应中心设计。.基于所述理论，建立了推进机构载荷顺应性设计方法。运用参数优化法和本项目开发的辅助设计与分析软件，进行了Π型机构载荷顺应性最优方案设计。并对载荷顺应性和关节反力进行了仿真，对不同设计方案、不同分组、不同厂家的推进机构性能进行了比较。结果表明Π型机构载荷顺应性与关节反力成反比，从理论上验证了所提出设计指标的科学性、所述设计理论的正确性和所述参数优化方法的可行性。为该机构液压缸分组、选型和改进设计提供了理论依据。.针对Π型机构载荷顺应性差，开发了推进缸楔形布置的新的推进机构（简称V型机构），并运用所述理论与方法，得到了其顺应中心显式解析设计式及其最优设计方案。借助所开发的软件对Π型和V型机构载荷顺应性和关节反力进行了仿真和比较，结果表明V型机构具有比较优势。在可重构掘进装备推进试验台上对V型和Π型机构用动态推进方式做了载荷顺应性试验，测试了关节反力。其试验结果与理论分析一致。.研究成果将为重载装备机构，特别是推进机构的开发与设计提供了理