变约束冗余驱动掘进机机械系统非线性动力学特性研究

为满足大承载和向前推进，盾构掘进机具有冗余驱动和变约束边界条件等特性，使得其在突变载荷等复杂工况下机械系统内载荷传递十分复杂，易导致冗余驱动元件力流传递畸变和应力积聚效应，造成结构异常损伤与失效。本项目围绕掘进机机械系统动力学特性，考虑与掘进机周围岩土的非线性力学特性，分析复杂工况下掘进机在纵向和周向随时间和位置变化的约束边界条件特性，建立掘进机变约束边界条件的数学描述方法；针对主轴轴承与盾体和驱动电机齿轮间载荷非线性传递，提出结构间载荷非线性传递界面等效模型；考虑冗余驱动元件变形、装配偏差等因素影响，建立变约束冗余驱动掘进机机械系统动力学模型；分析复杂工况下变约束冗余驱动机械系统载荷非线性传递特性，揭示冗余驱动元件力流畸变产生的机理，研究由于力流畸变与冗余驱动非协调耦合造成结构应力积聚效应，建立复杂工况下变约束冗余驱动掘进机机械系统载荷非线性传递特性评价方法，为掘进机结构设计提供指导。

本项目针对冗余驱动掘进机机械系统，采用有限元方法建立含掘进机与复杂地质结构的数值仿真模型，分析不同复合地质条件下掘进机与隧道周围岩土的接触面特性，建立接触界面力传递非线性等效模型；对掘进机主轴齿轮系统、支撑板结构建立有限元模型，分析主轴系统的径向、轴向和倾覆刚度以及支撑板的刚度特性；在此基础上，建立了冗余驱动推进系统力传递模型，研究了考虑盾体与隧道非线性约束下不同分组策略下掘进机传递特性，初步分析了载荷突变工况下冗余驱动推进系统力传递畸变特性。. 考虑主轴系统不同方向的刚度特性，采用几何位移分析方法，建立内啮合齿轮系统内圈中心变形与周向各点变形之间的映射关系，考虑小轮齿的安装位置进行啮合线方向投影，给出由于变形造成齿轮传递过程中附加啮合力的计算公式，对掘进机六个电机驱动的回转系统均载性进行分析，给出不同位置电机驱动偏载特性的定量分析结果，为电机的位置布置提供了依据。. 针对掘进机冗余驱动回转系统，引入齿轮啮合动态传递误差，建立系统的动力学模型。推导了状态空间方程，采用Floquet-Lyapunov理论求解系数矩阵的Floquet乘子，采用该乘子对多点啮合齿轮系统的几何参数、大小齿轮的支撑刚度和不同小齿轮安装位置时系统的稳定性进行分析与评价，为冗余驱动回转系统结构优化设计的提供依据。. 基于Floquet乘子，提出了多齿轮同步驱动机械系统的均载因子。分析了不同参数等对多齿轮同步驱动系统均载性的影响，结果表明不同的电机安装位置，不同的大齿圈与小齿轮支撑刚度系数比以及几何参数与各对齿轮的均载性相关，合理进行机械结构设计有助于减少不同电机驱动的载荷非均匀性。. 设计并制造了掘进机机械系统模拟试验台，进行了不同分组策略下冗余驱动推进系统的力传递特性实验，考虑电机的不同布置位置对纯扭转和弯扭耦合工况下的两个电机驱动和三个电机驱动时力传递特性进行试验，结果表明，针对不同的地质载荷，冗余驱动推进系统的不同分组策略对各组液压缸承受载荷影响明显，合理的对冗余驱动的推进系统进行分组，可以有效的减少力流畸变和载荷波动性；不同电机安装位置传递扭矩特性不同，实验结果验证了仿真结果和提出的均载因子概念的合理性。