盾构机行星齿轮传动系统动态响应及均载特性研究

作     者：伍宏健 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何泽银

授予年度：2024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：齿轮传动 啮合冲击 偏心误差 均载特性 盾构机 

摘      要：盾构机是一种集机、电、液、伺服控制于一体的专用工程机械,在我国桥梁土建和城市发展中发挥着不可替代的重要作用。其主驱动减速机是采用多个小齿轮-大齿圈啮合的行星齿轮传动系统,具有承载能力强、传动稳定、抗干扰强等优点,承担着驱动刀盘掘进的重要作用。然而,盾构机行星齿轮传动系统使役条件复杂多变,齿轮冲击-啮合耦合效应突出,致使齿轮接触状态改变,将显著减低传动系统均载性能,且由于传动系统中各零部件加工和装配引起的偏心误差不可避免,诱发各齿轮副间啮合特性变化,导致系统载荷分配不均问题愈发明显,严重制约了行星齿轮系统性能的发挥。因此,针对盾构机行星齿轮传动系统,开展均载特性研究工作具有重要理论及工程意义。 以盾构机行星齿轮传动系统为研究对象,揭示太阳轮-行星轮间啮入冲击诱发行星齿轮系统内外啮合状态演变规律,推导含几何偏心误差的行星齿轮时变啮合刚度解析计算式;而后,基于集中质量法建立盾构机行星齿轮传动系统动力学模型,研究齿轮传动系统动力学特性;进而,求解行星齿轮传动系统均载系数,探究结构参数和内部激励对齿轮传动系统均载性能的影响;最后,搭建优化模型,开展传动系统均载特性优化工作。论文主要研究内容如下: (1)建立盾构机行星齿轮内啮合与外啮合齿轮副线外啮入冲击激励解析计算模型,与齿轮副有限元显式动态接触模型对比,验证解析模型的合理性,并搭建啮入冲击诱发行星轮-齿圈、行星轮-太阳轮线内冲击机理模型,得到行星齿轮系统冲击力,阐明太阳轮-行星轮-齿圈多点冲击激励变化规律;结合势能法,考虑偏心误差,建立含几何偏心误差的行星齿轮时变啮合刚度解析计算模型,得到不同偏心误差下内、外啮合齿轮副时变啮合刚度。 (2)建立盾构机行星齿轮传动系统动力学模型,研究齿轮传动系统动态特性,探究冲击激励及偏心误差激励对行星齿轮传动系统的影响;而后,通过有限元法求解齿轮系统固有频率及固有振型;最后,搭建行星齿轮系统显式动力学模型,提取外、内啮合齿轮副啮合力与接触力,得到各齿轮副啮入冲击力的大小,与理论解析结果进行对比,验证理论模型的合理性。 (3)基于动力学模型计算盾构机行星齿轮传动系统内、外啮合齿轮副动态啮合力,并进一步求解行星齿轮系统均载系数,分别研究结构参数(齿数、齿宽、行星轮布置方案),内部激励(冲击激励、偏心误差激励)对系统均载特性的影响。 (4)建立盾构机行星齿轮传动系统修形模型,求解齿轮副最佳修形参数,得到修形后行星齿轮系统均载系数;以行星齿轮系统均载系数为目标函数,以轮齿齿数、变位系数、行星轮个数等齿轮结构参数为设计变量,以传动系统各设计标准为约束条件,建立盾构机行星齿轮传动系统参数优化数学模型,进行自动寻优,得到优化后行星齿轮系统的均载系数;进而,在此基础上,计算参数优化后系统最佳修形参数,再次进行修形优化。