基于土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的大功率減速器數(shù)值仿真分析.pdf

1、盾構(gòu)施工法是在地面下暗挖隧洞的一種施工方法，它使用盾構(gòu)機(jī)在地下掘進(jìn)，在防止軟基開(kāi)挖面崩塌或保持開(kāi)挖面穩(wěn)定的同時(shí)，在機(jī)內(nèi)安全地進(jìn)行隧洞的開(kāi)挖和襯砌作業(yè)，整個(gè)隧道一次成型。經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，越來(lái)越多的工程建設(shè)單位首選盾構(gòu)機(jī)來(lái)代替效率低下的傳統(tǒng)掘進(jìn)法進(jìn)行隧道挖掘。
　　 作為盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵部件之一的減速器是驅(qū)動(dòng)刀盤運(yùn)轉(zhuǎn)的唯一部件，它一邊與液壓馬達(dá)相連，一邊與驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)的主軸齒輪嚙合，是連接兩者的樞紐，不僅起著傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的作用，還

2、能在發(fā)生緊急制動(dòng)的情況下承受載荷沖擊，其受載情況是我們相當(dāng)關(guān)心的。
　　 對(duì)于土壓平衡盾構(gòu)機(jī)來(lái)說(shuō)，來(lái)自軸向和徑向的壓力可以由承壓隔板以及開(kāi)挖室內(nèi)積累的泥土進(jìn)行平衡，而周向的壓力主要來(lái)自于由刀盤上所受摩擦力產(chǎn)生的扭矩，它將通過(guò)主軸齒輪直接傳遞到減速器上，減速器將接受各種工況下各種扭矩的沖擊，特別是在土層突變和緊急制動(dòng)的情況，沖擊特別明顯，這就有可能造成減速器某些零件的失效，導(dǎo)致停機(jī)。
　　 為了避免零件失效的出現(xiàn)同時(shí)也是為

3、了盾構(gòu)機(jī)能適應(yīng)各種條件下的土層結(jié)構(gòu)，有必要對(duì)盾構(gòu)機(jī)減速器進(jìn)行實(shí)際載荷工況下的計(jì)算分析。本文以給定的盾構(gòu)機(jī)減速器空間結(jié)構(gòu)尺寸和動(dòng)載荷條件下減速器各傳動(dòng)零部件等強(qiáng)度等壽命為約束，以提高盾構(gòu)機(jī)減速器的承載能力為目標(biāo)，對(duì)各傳動(dòng)零部件的參數(shù)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高盾構(gòu)機(jī)行星齒輪減速器功率傳遞密度和可靠性。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法是解析方法，該方法只能以簡(jiǎn)化方式作粗略計(jì)算，只能得到局部的應(yīng)力、位移、強(qiáng)度及剛度情況，通過(guò)加大安全系數(shù)的方法來(lái)保證結(jié)構(gòu)的

4、強(qiáng)度和剛度。而應(yīng)用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算能夠快速、準(zhǔn)確、直觀的得到結(jié)構(gòu)上各部位的應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)的分布情況。同時(shí)，通過(guò)對(duì)盾構(gòu)減速器關(guān)鍵零部件的有限元分析，對(duì)可進(jìn)行優(yōu)化的部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證其強(qiáng)度和剛度的條件下，實(shí)現(xiàn)減速器的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。本文的研究工作如下：
　　 1）以土壓平衡盾構(gòu)機(jī)減速器三級(jí)行星架為研究對(duì)象，運(yùn)用ANSYS-WORKBENCH中的DesignModeler模塊對(duì)其建模，然后對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)仿真分析，得到了應(yīng)力

5、分布的規(guī)律，并得到了危險(xiǎn)截面處的應(yīng)力數(shù)據(jù)，同時(shí)校核出了行星架的剛性。在此基礎(chǔ)，返回幾何模型建立界面，直接對(duì)其危險(xiǎn)截面進(jìn)行修正，提高了整個(gè)行星架的承載能力。分別就5個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)質(zhì)量及強(qiáng)度和剛度的影響進(jìn)行討論，然后利用AWE-DesignXplorer模塊對(duì)行星架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得出了在滿足其承載能力的基礎(chǔ)上的質(zhì)量最優(yōu)值（比原始質(zhì)量減輕11％）以及限定了剛度條件的質(zhì)量最優(yōu)值。
　　 2）以土壓平衡盾構(gòu)機(jī)減速器三級(jí)齒輪嚙合副為研究對(duì)象，

6、采用CAXA軟件輔助PRO/E建立出精確的變位傳動(dòng)齒輪，并運(yùn)用有限元分析軟件模擬其嚙合狀態(tài)，得出嚙合副在嚙合瞬間的接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力值，與傳統(tǒng)計(jì)算方法得出的數(shù)值進(jìn)行比較，并分析兩種方法產(chǎn)生差異的原因。
　　 3）以土壓平衡盾構(gòu)機(jī)減速器箱體為研究對(duì)象，先通過(guò)理論分析得出其載荷，然后運(yùn)用有限元軟件ANSYS-WORKBENCH對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)分析，將得出的最大應(yīng)力值與許用應(yīng)力比較得出箱體強(qiáng)度是滿足使用要求的。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步討論了箱體