硬岩掘进机(Hard Rock Tunnel Boring Machine,TBM)是集机械设计、电子科学、液压技术、光学测量、隧道工程等学科为一体的岩石隧道施工装备,主要应用于铁路、公路、水利、市政等隧道建设。当TBM在断层破碎带、围岩软硬不均、底层易扰动等地质环境中掘进时,极易引发围岩收缩甚至坍塌而使刀盘卡住。如果刀盘脱困扭矩不足,TBM无法在预期时长内通过复杂地段,会导致刀盘被围岩卡死。因此,实现TBM刀盘从破碎围岩中高效脱困已成为国际性行业难题,提高TBM刀盘驱动系统脱困能力成为未来TBM技术发展的重要方向。本文围绕液粘传动装置关键技术开展系统性研究,旨在提高TBM刀盘脱困能力,选题具有很强的工程应用背景和重要的学术研究价值。现有TBM刀盘脱困技术有电液复合驱动和变频驱动两种,前者是利用双速电机和液压马达协同驱动,后者是通过单一动力源变频电机驱动。本文提出了一种由液粘调速和变频复合脱困的新型TBM刀盘驱动系统,液粘调速链利用惯性飞轮提升系统储存功率和刀盘脱困扭矩,同时变频驱动系统装机功率及其驱动链数量降低。理论计算表明,新型刀盘驱动系统最大脱困扭矩至少是原变频驱动系统的1.5倍、总装机功率可下降10%。该新型驱动系统不仅继承了正常掘进下变频驱动良好的工作特性,还降低了刀盘制造成本和驱动链占用空间。创建了考虑离心效应、科氏效应和粘温效应的液粘油膜控制方程,分析了不同工况下科氏力的变化规律,研究了温升效应和科氏效应共同作用对液粘扭矩的影响,首次揭示了科氏效应会加大扭矩损失、降低传动效率,并指出了大流量润滑条件下科氏效应对液粘传动影响的显著性。研究结果表明,由科氏效应引起的扭矩损失最大可达总扭矩损失的80%、相对扭矩损失最大超过10%。此外,还提出了一种斜槽-环形槽复合的液粘离合器摩擦盘油槽结构,具有散热快、扭矩建立快、防局部高温的特点。随后研究了组合油槽结构对液粘摩擦副油膜流态和动静态传动特性的影响规律,结果表明相对无油槽条件组合油槽相对科氏扭矩损失降低3.5%、脱困过程中平均温升相对降低至少21%。上述研究将为液粘调速离合器在刀盘脱困中的应用提供技术支撑。本学位论文基本结构如下:第一章,首先分析了 TBM刀盘脱困技术的国内外工程施工和学界研究现状;其次,结合TBM刀盘脱困的特点,分析了液粘传动技术在TBM刀盘液粘脱困中的可行性。最后,介绍了课题的研究思路和主要研究内容。第二章,首先针对当前TBM刀盘脱困的问题,提出了一种变频和液粘调速复合脱困的新型TBM刀盘驱动系统。其次,设计并搭建了基于单液粘摩擦副的TBM刀盘液粘脱困综合试验台,包括机械驱动系统、液粘调速装置、电气系统以及软件控制系统等。第三章,研究了常粘度和考虑粘温效应两种工况下,科氏效应对液粘传动特性的影响规律。首先,介绍了科里奥利力概念及其对液粘传动的作用原理,分析了所有研究工况下油膜流态特征并给出了相应的物理模型参数。其次,通过近似解析方法分析了常粘度条件下油膜径向通流量与科氏效应的关系,重点研究了科氏效应对油膜回流、压力分布以及液粘传动特性的影响。最后,分析了粘温效应和科氏效应的共同作用对液粘油膜剪切应力和粘性扭矩的影响机理。上述研究中的结论在试验中得到了验证。第四章,在综合分析现有液粘调速离合器摩擦盘油槽优缺点的基础上,提出了一种用于TBM刀盘高效液粘脱困的组合油槽结构。之后,针对带组合油槽的液粘油膜,建立了考虑科氏效应的修正雷诺方程和能量方程,并对其进行了数值求解。最后,研究了刀盘稳态驱动和动态脱困两种工况下组合油槽结构参数和流体参数对油膜剪切应力、温升分布、压力分布、科氏阻力矩以及液粘传动效率等的影响规律,通过理论分析和试验验证获得了较优的油槽结构和流体参数组合。第五章,首先根据TBM刀盘液粘脱困试验台各机械子系统结构,建立了考虑摩擦副纯油膜摩擦和混合摩擦两种状态的等效修正雷诺方程,以及系统的机械动力学模型。其次,通过调用函数文件和建立动态链接库文件将液粘摩擦副的Fortran计算程序移植到Matlab/Simulink中,再通过建立AMESim与Matlab/Simulink数据接口,实现刀盘液粘脱困系统的联合仿真和计算。之后,介绍了刀盘液粘脱困系统主要参数,提出了正抛物线、直线、负抛物线和余弦四种脱困控制方法。最后,通过仿真和试验综合分析了不同脱困控制方法对TBM液粘驱动系统脱困性能的影响,并对脱困方法的选择给出了指导性的建议。