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推进机构是TBM装备关键子部件,需要承受作业环境下的重载荷、大突变载荷及强烈振动载荷,在满足极限掘进力的前提下,实现运动精准控制。推进机构本身是刚柔耦合体,在掘进过程中,若刚性不够,难以承受重载荷,位姿稳定性不足;若柔度不足,机构难以顺应大突变载荷。为化解这两者间的必然冲突,保证TBM快速、准确、安全掘进,本文以Wirth双护盾式全断面掘进机推进机构(简称Π型+扭力缸推进机构)为研究对象,从变形角度出发,围绕上述关键科学问题开展了以下研究工作: 利用Solidworks建立了6自由度Π型+扭力缸推进机构仿真模型,运用螺旋理论分析此种机构的运动能力,并采用有限元法和CAD软件仿真分析验证其工作能力。采用机构微分运动原理建立其冗余驱动的运动分析模型,利用Moore-Penrose广义逆建立冗余机构的速度正解,满足机构的运动协调性。 针对冗余运动分析模型,采用力平衡方程对机构的受力情况进行了分析。根据TBM工作的特点,利用分区形矩阵,建立速度和力的兼容方程,分析了分区等效受力模型。利用子结构装配法分析支链的刚度,运用虚位移原理建立了其结构刚度分析方法。通过对刚度的灵敏度分析,研究了整机刚度与机构结构尺寸、工作空间、载荷作用空间之关系,得到关键设计和分析参数。 通过利用独立度对整机刚度分析,发现变形耦合性存在,分析二力杆力和变形的模型,在此基础上推导出误差变形和顺应性变形两者的成因和辨识方法,建立了表征推进机构工作精度(误差变形与顺应性变形)的变形协调性评价指标(CDI)。利用顺应变形指标分析机构,使其既具有好的刚性承受外载荷以减小形变,在受重载荷条件下保证设备运行工作精度;又具有好的柔性变形来顺应外载荷的变化。