盾构机主驱动系统关键部件局部故障振动特性分析与仿真研究

作     者：孙明帅 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李方义

授予年度：2022年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：盾构机 主驱动系统 振动信号模型 多体动力学仿真 故障诊断 

摘      要：随着我国城市立体化建设的快速布局和发展,作为一种功能高度集成化且智能化的大型基建工程装备,盾构机被普遍地使用于地铁及各种类型隧道和隧洞的建设施工中。主驱动系统是盾构机的驱动核心,其中主轴承和主减速器负责为刀盘传递动力,在恶劣重载的运行工况中若出现故障而导致停机,不仅影响工程的施工进展,而且容易形成重大安全隐患,产生额外的经济损失。因此,开展主驱动系统关键部件局部故障诊断研究,准确及时地发现故障,对保证盾构机顺利施工、安全运行具有重要的意义。然而,主轴承和主减速器特殊的结构导致其振动特性复杂,并且受地下施工条件限制,含完备故障特征信息的实测振动信号不易获取,使得先验故障样本数据缺乏,难以在此基础上完成对主驱动系统的故障诊断。为了解决以上关键问题,本文以主轴承和主减速器为研究对象,开展了局部故障建模、仿真与实验的研究。主要工作内容如下:(1)建立盾构机主轴承和主减速器的振动信号模型,揭示了局部故障对系统振动特性的影响。对于主轴承,考虑载荷分布效应的影响,建立内圈、外圈局部故障的振动信号模型,定性分析时域与频谱结构特征;对于主减速器,引入局部故障激励并考虑传递路径效应,构建行星齿轮系振动信号模型,依次对无故障状态及不同齿轮发生断齿故障状态下系统的振动特性进行研究,并重点解析了频谱图中位于啮合频率及其谐波两侧的边频带构成。所建模型能够有效解释实际所采集的振动信号的时频特征,为主轴承和主减速器的故障诊断提供理论依据。(2)基于ADAMS分别建立了盾构机主轴承和主减速器的多体动力学模型,分析发生局部故障时系统的振动特性。依据实际工况添加约束、载荷等边界条件,分别建立了主轴承和主减速器的局部故障仿真模型,直接获取多种故障状态下的振动加速度信号。仿真信号分析结果显示,当主轴承内圈或外圈发生局部故障时,时域中存在周期性的冲击,频谱中在故障特征频率及其谐波处峰值占优;当主减速器不同齿轮发生局部故障时,时域中有明显的周期性冲击和调幅现象,频谱中在啮合频率及其谐波两侧存在间隔不同的边带成分。仿真结果与振动信号模型的解析结果一致,表明了振动信号模型正确性,证明本文建立的多体动力学仿真模型可以为盾构机主驱动系统关键部件故障诊断中先验故障样本数据获取提供支持。(3)开展了盾构机主驱动系统关键部件局部故障诊断实验研究,进一步验证振动信号模型和多体动力学仿真模型的有效性。针对研究对象的特点,详细设计了不同的实验方案:对于主轴承,通过采集并分析现场测试信号,获取内圈局部故障的故障特征;对于主减速器,基于行星齿轮系统故障模拟实验平台开展太阳轮断齿、齿圈断齿和行星轮断齿故障的植入实验,提取箱体的振动信号所呈现的故障特征与齿轮损伤设置相对应。实验结果表明本文提出的振动信号模型和多体动力学模型可以有效的表征发生局部故障时主轴承和主减速器的振动响应。