TBM主减速器耦合动力学特性分析的轴系单元法及其实验研究

摘要

随着现代城市地下交通以及铁路建设的飞速发展，硬岩掘进装备(Tunneling BoringMachine，TBM)在各种长距离、大埋深硬岩开隧工程中发挥着重大作用。为摆脱对国外技术进口的依赖，近年来国内已开始尝试制造和研发国产TBM。行星齿轮传动因其体小量轻、可靠高效等诸多优点不仅成为TBM主减速器的首要选择，也广泛应用于各种高速大功率和低速大转矩的设备中。为适应高速、重载、可靠、精密传动等发展要求，行星齿轮系统的动力学问题越来越受到工业界的广泛关注。
　　本文以TBM主减速器为研究对象，将有限单元思想与行星齿轮系统动力学理论相结合，以数值计算分析方法为手段，对行星轮系的动力学特性和振动行为进行了理论研究，并搭建了实验台，理论结合实验获得了系统更为全面的动力学特性。主要研究工作如下:
　　(1)针对传统集中质量法精度不高和大规模有限元模型计算量大、后处理困难的问题，提出了一种针对多级行星轮系耦合动力学特性分析的建模方法一轴系单元法。根据行星轮系结构特点，将行星轮系中各种构件划分为简单轴系单元、行星架轴系单元以及齿圈轴系单元等轴系模型。考虑齿圈、行星架以及轴系等结构柔性影响，建立不同类型的行星轮系耦合动力学模型。
　　(2)根据固有特性的计算原理，基于所建行星轮系的轴系单元模型研究TBM主减速器固有频率和振型，总结出了行星轮扭转振动模式、太阳轮轴轴向振动模式等多种典型振型，研究了啮合刚度等因素对系统固有特性的影响规律。
　　(3)在稳态工况下求解了系统各节点的时频响应，获得了行星齿轮系统的耦合特性以及振动传递规律，并进一步研究了系统结构柔性对动态啮合力的影响规律。求解分析了不同类型突变载荷工况下系统各节点的振动响应以及啮合力的变化规律，得到了多级行星齿轮传动系统在非稳态工况下的响应特性。
　　(4)在理论分析的基础上，搭建了TBM主减速器振动测试实验平台，对系统在不同工况下振动响应展开研究，获得了不同测点的振动位移、振动加速度的时间历程，将实验分析与理论结果作对比，验证了所建立行星齿轮传动系统动力学模型的合理性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．1．1 课题背景

1．1．2 研究意义

1．2 行星齿轮传动国内外研究现状

1．2．1 动力学建模

1．2．2 固有特性分析

1．2．3 动态响应研究

1．2．4 实验研究现状

1．3 本文的主要研究内容

2 多级行星轮系建模的轴系单元法

2．1 引言

2．2 虚拟轴段等效理论

2．3 系统轴系单元划分

2．3．1 简单轴系单元

2．3．2 行星架轴系单元

2．3．3 齿圈特殊轴系单元

2．4 系统动力学模型建立

2．4．1 轴系单元耦合

2．4．2 系统轴承支承

2．4．3 整体动力学模型建立

2．5 模型求解方法

2．6 本章小结

3 TBM主减速器模型建立及固有特性研究

3．1 引言

3．2 模型建立

3．3 模型参数确定

3．3．1 时变啮合刚度

3．3．2 啮合误差

3．3．3 齿轮侧隙

3．3．4 时变轴承刚度

3．4 固有特性分析

3．4．1 系统固有频率及振型求解

3．4．2 啮合刚度对固有频率的影响

3．4．3 支撑刚度对固有频率的影响

3．4．4 质量对固有频率的影响

3．5 本章小结

4 系统动态响应及其耦合特性研究

4．1 引言

4．2 系统节点稳态响应

4．2．1 准静态结果分析

4．2．2 节点时域响应

4．3 动态啮合力

4．3．1 轴段柔性对动态啮合力的影响

4．3．2 齿圈柔性对动态啮合力的影响

4．3．3 行星架柔性对动态啮合力的影响

4．4 系统耦合特性分析

4．5 非稳态工况系统响应分析

4．5．1 阶跃载荷

4．5．2 斜坡载荷

4．5．3 尖峰载荷

4．5．4 简谐载荷

4．6 本章小结

5 TBM主减速器实验研究

5．1 引言

5．2 实验研究目的

5．3 实验台的系统构成

5．3．1 实验平台组成

5．3．2 振动测点布置

5．4 实验方法与流程

5．4．1 实验准备

5．4．2 实验流程

5．5 实验结果分析

5．5．1 时域响应分析

5．5．2 频域响应分析

5．6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢