多齿轮驱动机械体系偏载性能实验与模拟研究

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1、多齿轮驱动机械体系偏载性能实验与模拟研究第一章绪论1.1研究背景及意义在现代大型装备中，单个动力往往难以提供足够大的力矩，并且单对齿轮传动的强度和寿命要求很难支承如此大的转矩，所以主传动一般采用多元输入并联驱动。在这种传动中，为了减小传动系统的外廓尺寸，采用了功率分流的方法，将低速级的末级大齿轮用多个小齿轮进行周边驱动，即所谓多点啮合传动。多齿轮并联传动系统属于多点啮合传动的范畴。它是一种功率分流的定轴齿轮系传动，输入功率经第一级传动分流和第二级传动汇流，达到输出目的。由于多齿轮并联传动系统采用了定轴轮系，与行星齿轮传动机构比较，其系统的强度、刚度以及工作可靠性有所提高。这种传动

2、形式应用范围比较广，特别适用于大转矩、大减速比、低转速的传动场合。盾构机的回转系统采用的就是这种多齿轮并联传动系统。盾构机的回转系统用以驱动刀盘旋转，以对土体进行挤压和切削。盾构机的掘进是在大惯量和非连续的特殊工况状态下进行，负载很大，对齿轮传动机构的强度和寿命要求很高。近年来，盾构机回转系统多使用变频电机进行驱动，而在大直径盾构上则广泛采用了多个电机冗余驱动的方式。采用多电机冗余驱动的方式加大了刀盘的驱动力矩，然而盾构机回转系统中的旋转机构动态特性的差异、齿轮旋转系统的间隙、扰动以及驱动电机不同的安装布置形式，这些都会使回转系统生产过程中各个驱动电机传递载荷的大小不同、各个驱动

3、电机传递载荷的不均匀，降低了承载能力和寿命。因此，在保证足够大驱动动力的情况下，各驱动单元的负载还需相同，以保持负载均衡，避免造成系统偏载等不确定力学行为，甚至造成机构功能失效。在工程实践中存在相关的案例，例如武汉过江隧道的断轴事故，以及北京地铁直径线断轴事故。由于变载荷工况掘进过程中驱动电机间负载分配若不均，将导致某些电机出力过大，而其他电机出力过小，长期过载下导致断轴事故发生。断轴事故一旦发生必然导致停止施工，直接影响到工程的如期完成，且随之带来巨大的维修、更换零件的成本。1.2国内外研究现状1.2.1盾构机回转系统均载特性实验掘进机是回转系统切削破碎地层，液压千斤顶推进这两

4、个过程同时协作的。要真实的研究回转系统动态特性，需要研究其他系统与回转系统的相互影响，建立盾构掘进力学模型。但是掘进机是先进的工程机械，先进的技术都保密于厂家，公开的掘进机整体动力学模型很少。目前，被引用最多的是日本长岗科技大学杉本光隆(Mitsutakaugimoto)教授所建立的模型[1]，他从盾构操作参数（液压推进力、土仓压力等）、盾构行为（姿态、偏差）与地层性质（地层摩擦系数、地层反力系数等）三者关系，综合分析了盾构掘进机的整体受力，并基于此开发了3DSSPC软件，通过输入控制参数，能够预测盾构掘进机在各个时刻的运动轨迹。该模型比较完整的考虑了盾体和外界的相互作用，但是此

5、模型忽略了回转系统，只是假定刀盘以某一恒定速度运转。国外的盾构模拟实验平台很多，主要分成了3类：1）关于盾构掘进引起的地层位移场变化的试验研究平台，如日本的离心力模拟盾构开挖试验设备[2]，如图1-1所示。它是利用离心力加速装置进行模拟试验，该设备是通过使用物理力学类似的原则，可以正确模拟和确认管件上负载的作用，结果可以提供模拟盾构推进试验的相关参考。第二章多电机并联驱动回转系统动力传递实验研究2.1多齿轮并联驱动实验平台实验平台主要由五个部分组成，实验台支撑机构、齿轮回转系统推进支承机构、齿轮回转系统、载荷加载机构以及控制显示系统，其整体结构如图2-1所示。整个实验台支撑主要由

6、两边的侧板和底板构成，实验系统的机械部分都搭建在两个侧板和底板上。实验系统的推进支承机构主要实现齿轮并联传动系统的前后推进支承，以方便载荷加载器进行模拟载荷的加载。载荷加载机构采用横置的六自由度6-6SPS型Stewart平台机构，包括折线式电动缸组件、动平台和载荷摩擦片。其中折线式电动缸组件分别与动平台和实验台支撑机构的侧板铰接，载荷摩擦片通过固定沉头螺栓连接于动平台的表面。试验过程中，载荷加载机构主要实现对回转系统进行外载荷的模拟加载，根据并联机构力传递特性，通过计算各个支链电动缸施加不同的力，可在其末端动平台形成水平推力，以及3个方向弯矩等。多齿轮驱动回转系统包括驱动回转电

7、机，回转轴承以及铆接在回转轴承上的圆盘体，摩擦片通过固定沉头螺栓连接于圆盘上。电机和减速机的安装位置非均匀布置在圆盘体上，回转系统电机布置如图2-2所示。2.2实验原理和实验方案2.2.1外载荷加载原理实验台Stewart载荷加载器的运动分为两个过程，第一步是位姿控制，给定六个缸的行程，让动平台水平向前走，由于载荷加载器机械装置为横置的Stewart平台，这种情况下必须考虑动平台和相关结构的重力；第二步是将位姿控制改成力控制，并要求动平台保持位姿不变，然后施加需要的推力、弯矩和扭