全断面岩石掘进机(Full Face Hard Rock Tunnel Boring Machine,TBM)是用于开凿岩石隧道的大型工程装备。TBM通过回转系统驱动刀盘,带动安装在刀盘上的滚刀挤压、破碎岩石,达到开挖隧道的目的,具有快速、优质、安全等优点。刀盘系统是TBM的主要部件,在工作时起到破岩、稳定掌子面等功用。由于复杂的地质条件,刀盘承载多点随机冲击载荷,导致刀盘的剧烈振动,从而引起主驱动系统的振动,出现螺栓断裂、主轴承密封失效、驱动电机传动轴断裂等故障,增加了维护成本,严重影响了 TBM掘进效率。因此,为了减少在复杂工况条件下TBM回转系统的故障率,提高系统稳定性,对回转系统进行动力学特性研究十分必要。本文依托辽宁重大装备制造协同创新中心项目,在总结刀盘系统研究现状基础上,建立了刀盘回转驱动系统的非线动力学模型,分析了系统的固有特性与动态特性,并进一步研究了转速、转矩波动、啮合误差等因素对回转系统动力学特性的影响。本文的研究工作为回转系统的动态特性设计、振动控制及结构设计与优化提供一定的理论依据。本文主要内容如下:(1)根据齿轮系统的结构特点,建立了齿轮-转子-轴承系统非线性动力学模型。模型中考虑了转矩波动、重力、齿侧间隙、时变啮合刚度等因素的影响。利用Runge-Kutta数值积分方法对方程进行求解,分析系统动态特性及各参数对系统特性的影响,为后续回转系统的研究提供方法基础。(2)通过分析刀盘回转系统多齿并联驱动的特点,使用集中质量法,建立了 TBM刀盘回转系统的动力学非线性模型。系统模型综合考虑小齿轮与大齿圈间啮合误差、时变啮合刚度、齿侧间隙、重力、转矩波动等因素的影响。利用ABAQUS软件对滚刀进行破岩仿真,以获得滚刀在不同方向的受力情况,为系统提供外部激励;依据相关公式计算系统内部阻尼、刚度等内部激励参数。(3)以固有特性理论为基础,求解回转系统固有频率及振型,得到系统的振动形式,防止系统发生共振。利用Runge-Kutta数值积分方法求解系统方程,得到了系统动态响应,比较文献数据与理论数值,验证理论分析的正确性。并分析了各参数对系统动态响应的影响,研究表明在一定的推进速度下,随着刀盘转速的减小,滚刀载荷随之增大,系统振动有所增加;增大齿侧间隙或啮合阻尼系数,振动幅值都会增大,因此应合理选择齿侧间隙、啮合阻尼系数,避免较大的振动。研究结果为驱动系统动态设计等提供了参考依据。(4)利用灵敏度分析方法对刀盘回转系统进行灵敏度分析。基于直接求导法确定系统灵敏度方程,并利用系统动力学响应结果进行系统灵敏度计算,分析了不同刚度、阻尼对系统的影响,为工程结构的动态设计、振动控制、结构设计等方面提供理论依据。