《變約束冗餘驅動掘進機機械系統非線性動力學特性研究》是依託上海交通大學，由余海東擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：變約束冗餘驅動掘進機機械系統非線性動力學特性研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：余海東
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
為滿足大承載和向前推進，盾構掘進機具有冗餘驅動和變約束邊界條件等特性，使得其在突變載荷等複雜工況下機械系統內載荷傳遞十分複雜，易導致冗餘驅動元件力流傳遞畸變和應力積聚效應，造成結構異常損傷與失效。本項目圍繞掘進機機械系統動力學特性，考慮與掘進機周圍岩土的非線性力學特性，分析複雜工況下掘進機在縱向和周向隨時間和位置變化的約束邊界條件特性，建立掘進機變約束邊界條件的數學描述方法；針對主軸軸承與盾體和驅動電機齒輪間載荷非線性傳遞，提出結構間載荷非線性傳遞界面等效模型；考慮冗餘驅動元件變形、裝配偏差等因素影響，建立變約束冗餘驅動掘進機機械系統動力學模型；分析複雜工況下變約束冗餘驅動機械系統載荷非線性傳遞特性，揭示冗餘驅動元件力流畸變產生的機理，研究由於力流畸變與冗餘驅動非協調耦合造成結構應力積聚效應，建立複雜工況下變約束冗餘驅動掘進機機械系統載荷非線性傳遞特性評價方法，為掘進機結構設計提供指導。
結題摘要
本項目針對冗餘驅動掘進機機械系統，採用有限元方法建立含掘進機與複雜地質結構的數值仿真模型，分析不同複合地質條件下掘進機與隧道周圍岩土的接觸面特性，建立接觸界面力傳遞非線性等效模型；對掘進機主軸齒輪系統、支撐板結構建立有限元模型，分析主軸系統的徑向、軸向和傾覆剛度以及支撐板的剛度特性；在此基礎上，建立了冗餘驅動推進系統力傳遞模型，研究了考慮盾體與隧道非線性約束下不同分組策略下掘進機傳遞特性，初步分析了載荷突變工況下冗餘驅動推進系統力傳遞畸變特性。考慮主軸系統不同方向的剛度特性，採用幾何位移分析方法，建立內嚙合齒輪系統內圈中心變形與周向各點變形之間的映射關係，考慮小輪齒的安裝位置進行嚙合線方向投影，給出由於變形造成齒輪傳遞過程中附加嚙合力的計算公式，對掘進機六個電機驅動的迴轉系統均載性進行分析，給出不同位置電機驅動偏載特性的定量分析結果，為電機的位置布置提供了依據。針對掘進機冗餘驅動迴轉系統，引入齒輪嚙合動態傳遞誤差，建立系統的動力學模型。推導了狀態空間方程，採用Floquet-Lyapunov理論求解係數矩陣的Floquet乘子，採用該乘子對多點嚙合齒輪系統的幾何參數、大小齒輪的支撐剛度和不同小齒輪安裝位置時系統的穩定性進行分析與評價，為冗餘驅動迴轉系統結構最佳化設計的提供依據。基於Floquet乘子，提出了多齒輪同步驅動機械系統的均載因子。分析了不同參數等對多齒輪同步驅動系統均載性的影響，結果表明不同的電機安裝位置，不同的大齒圈與小齒輪支撐剛度係數比以及幾何參數與各對齒輪的均載性相關，合理進行機械結構設計有助於減少不同電機驅動的載荷非均勻性。設計並製造了掘進機機械系統模擬試驗台，進行了不同分組策略下冗餘驅動推進系統的力傳遞特性實驗，考慮電機的不同布置位置對純扭轉和彎扭耦合工況下的兩個電機驅動和三個電機驅動時力傳遞特性進行試驗，結果表明，針對不同的地質載荷，冗餘驅動推進系統的不同分組策略對各組液壓缸承受載荷影響明顯，合理的對冗餘驅動的推進系統進行分組，可以有效的減少力流畸變和載荷波動性；不同電機安裝位置傳遞扭矩特性不同，實驗結果驗證了仿真結果和提出的均載因子概念的合理性。
