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《重庆大学》 2011年
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基于动力学的盾构机行星传动系统的可靠性研究

赵勇  
【摘要】:可靠性作为产品四大质量特征之一,随着现代科技的发展和人们对产品质量要求的提高变得日益重要。尤其对于大型机械传动装置,如盾构机刀盘驱动大功率减速器。盾构机是专用于地下隧道工程挖掘的重大装备,其刀盘驱动大功率减速器是进行掘进作业的主要装置,起着驱动刀盘切割岩土的作用。由于盾构法施工是在地层深处进行的较为复杂的施工活动,施工地质构造复杂,刀盘驱动大功率减速器处于变载荷工况下运转;同时,大功率减速器结构的复杂会使系统内部彼此相关的任一部分失效而导致系统发生故障的机会大大增加,并且在十几米乃至几十米的地下对其进行维修是件非常困难的事情,因此要求刀盘驱动大功率减速器必须具有较高的可靠性和良好的动态特性,在产品设计时必须计及系统动力学因素对其进行准确的可靠性分析和评估。 本文结合国家高技术研究发展计划(863计划)“土压平衡盾构大功率减速器”课题的研究,针对其三级2K-H型行星传动串联的结构特点,首先建立系统的动力学模型,并进行动态响应分析,获得各啮合齿轮副间的动应力;在此基础上,考虑齿轮传动系统中各失效模式间的相关性及强度退化的影响,建立了系统的动态可靠性模型,并运用Monte Calor法对系统可靠性进行了模拟,验证了所建模型的正确性;然后,对行星齿轮的接触和弯曲疲劳可靠性灵敏度进行了分析;最后,基于系统的动力学模型、可靠性模型及可靠性灵敏度分析,对系统进行了可靠性稳健动态优化,为盾构大功率减速器的设计、制造提供理论参考。论文的主要内容如下: ①盾构机大功率三级行星传动系统动力学特性的研究。考虑到多级行星传动系统中时变啮合刚度、啮合误差等内部激励以及外载荷波动形成的外部激励,采用集中参数法,建立了盾构机刀盘驱动三级行星传动纯扭转动力学模型。通过振动模态分析,揭示了该行星传动系统的固有模态。经动态响应分析,获得系统各啮合齿轮副间的动态啮合力,从而获得啮合的动应力,为后续基于应力-强度干涉理论的系统可靠性设计奠定了基础。 ②盾构机大功率三级行星传动系统可靠性模型的研究。采用失效模式及影响分析法,确定盾构机行星齿轮减速器的重要元件及其主要失效形式,从而建立了系统的可靠性框图。采用近似概率法对应力、强度等随机变量的概率分布进行描述,分别建立了齿轮失效单元和轴承失效单元的可靠性计算模型。通过失效单元的可靠性计算,找出易于发生的失效模式。在系统层运用应力-强度干涉理论推导出了在多失效模式及多因素相关条件下机械传动系统可靠性的一般计算模型。在此基础上进一步建立了盾构机刀盘驱动三级行星传动系统的可靠性计算模型,对该系统的可靠性进行了较准确的评估。由于系统中失效单元数较多,计算时主要考虑了可能发生失效的单元;同时,由于各失效模式间的相关性是多方面的,计算时主要考虑了关于载荷上的相关性。最后,对系统的动态可靠性进行了研究,得到了系统的可靠度曲线、失效率曲线。 ③盾构机大功率三级行星传动系统可靠性仿真的研究。运用Monte Carlo方法结合χ2检验,模拟并检验了盾构机刀盘驱动行星传动各齿轮的齿面接触应力、接触强度以及齿根弯曲应力、弯曲强度的分布规律。根据已获得的应力和强度的分布规律,通过Monte Carlo方法模拟得到齿轮接触、弯曲失效单元的可靠度以及三级齿轮系统的可靠度,与采用解析法得出的结果相对比,验证了所建立的盾构机刀盘驱动失效单元及系统可靠性模型的正确性。为盾构机刀盘驱动行星减速器的可靠性设计提供较为准确的数值分析方法和理论参考。 ④盾构机大功率减速器齿轮可靠性灵敏度的研究。在前述可靠性分析的基础上,采用四阶矩方法对盾构机行星减速器齿轮的接触和弯曲可靠性灵敏度进行了分析。同时,采用重要抽样法获得可靠性灵敏度的精确解,对分析结果进行了验证。为后续可靠性稳健设计及减速器齿轮的加工制造提供了基础与参考。 ⑤盾构机大功率三级行星传动系统可靠性稳健动态优化的研究。考虑到刀盘驱动大功率减速器必须具有高可靠性和良好的动力学特性的设计要求,在前述建立的系统动力学模型、可靠性模型和可靠性灵敏度分析基础上,以传动系统可靠度最大、低速级太阳轮可靠性灵敏度最小、各级的外啮合齿轮副使用系数和动载系数乘积最小作为优化目标,以齿轮失效单元的可靠度、系统体积/质量及其他结构、性能要求作为设计约束,建立了盾构机刀盘驱动三级行星传动系统多目标优化的数学模型,结合工程实例,采用粒子群算法结合罚函数法得到问题的最优解。计算实例表明,优化后的盾构机三级行星齿轮传动系统的可靠性、动力学特性、稳健性均得到明显改善,从而证明了所建立的多目标优化模型和优化算法的正确有效性。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:U455.39

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