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大型矿用挖掘机提升减速器可靠性优化设计

张伟  
【摘要】:作为露天矿产主要的采装设备之一,大型矿用挖掘机因其斗容量大、开采效率高等特点得到了广泛的应用。然而,恶劣的工作环境和复杂的受载情况等因素严重制约着挖掘机可靠性和安全性的提升。提升减速器作为大型矿用挖掘机提升机构的重要组成部分,其是挖掘动力的传输者和挖掘过程中载荷的主要承受者,它的可靠性及耐久性直接影响到工作过程中挖掘机的性能和安全性。因此,对大型矿用挖掘机提升减速器的可靠性研究具有非常重要的意义。工程中不确定性普遍存在于提升减速器全寿命周期中的不同阶段,贯穿于其设计、制造、使用等过程;此外提升减速器关键零部件往往拥有多种可能的失效模式,而当前针对其可靠性建模的研究中并未考虑这些失效模式间的相关性,这将导致后续可靠性分析、优化结果偏离实际,甚至得到错误的结论。因此,有必要对大型矿用挖掘机提升减速器开展不确定性量化和失效相关在内的可靠性优化设计工作,这也是保证其安全、可靠和有效运行的基础。本文以WK-55型大型矿用挖掘机提升减速器为研究对象,对其关键零部件进行了可靠性优化设计,本文的主要研究内容如下:(1)针对提升减速器中存在的诸多不确定性因素,从设计、制造、使用三环节对提升减速器中轴、齿轮以及箱体进行不确定性分析,并选用合适的方法量化各种不确定性因素。(2)针对现有的提升减速器轴、齿轮可靠性研究工作中未考虑失效相关性问题,采用二元Copula函数描述失效相关性,进而建立轴失效相关时的联合寿命分布模型。不仅如此,建立了相互啮合的齿轮在考虑子系统失效相关下的联合寿命分布模型,紧接着建立了其考虑不确定性和失效相关下的可靠性优化设计模型,得到了相应设计参数的最优取值,最后与原始方案进行了比较分析。(3)为改善箱体的静力学和动力学性能,避免求解复杂的动力学平衡方程,建立了箱体的参数化模型,在参数化模型的基础上对箱体进行了相应的仿真分析。通过分析仿真试验数据得到箱体的固有频率、体积、形变、应力与设计变量间的径向基代理模型,进一步建立了箱体的可靠性优化设计模型并求解得到了最优解,最后通过仿真分析验证了本方法的可行性。


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