基于動力學的盾構(gòu)機行星傳動系統(tǒng)的可靠性研究.pdf

1、可靠性作為產(chǎn)品四大質(zhì)量特征之一，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和人們對產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高變得日益重要。尤其對于大型機械傳動裝置，如盾構(gòu)機刀盤驅(qū)動大功率減速器。盾構(gòu)機是專用于地下隧道工程挖掘的重大裝備，其刀盤驅(qū)動大功率減速器是進行掘進作業(yè)的主要裝置，起著驅(qū)動刀盤切割巖土的作用。由于盾構(gòu)法施工是在地層深處進行的較為復雜的施工活動，施工地質(zhì)構(gòu)造復雜，刀盤驅(qū)動大功率減速器處于變載荷工況下運轉(zhuǎn)；同時，大功率減速器結(jié)構(gòu)的復雜會使系統(tǒng)內(nèi)部彼此相關(guān)的任一部分失效而

2、導致系統(tǒng)發(fā)生故障的機會大大增加，并且在十幾米乃至幾十米的地下對其進行維修是件非常困難的事情，因此要求刀盤驅(qū)動大功率減速器必須具有較高的可靠性和良好的動態(tài)特性，在產(chǎn)品設(shè)計時必須計及系統(tǒng)動力學因素對其進行準確的可靠性分析和評估。
　　 本文結(jié)合國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)“土壓平衡盾構(gòu)大功率減速器”課題的研究，針對其三級2K-H型行星傳動串聯(lián)的結(jié)構(gòu)特點，首先建立系統(tǒng)的動力學模型，并進行動態(tài)響應(yīng)分析，獲得各嚙合齒輪副間的動應(yīng)力

3、；在此基礎(chǔ)上，考慮齒輪傳動系統(tǒng)中各失效模式間的相關(guān)性及強度退化的影響，建立了系統(tǒng)的動態(tài)可靠性模型，并運用Monte Calor法對系統(tǒng)可靠性進行了模擬，驗證了所建模型的正確性；然后，對行星齒輪的接觸和彎曲疲勞可靠性靈敏度進行了分析；最后，基于系統(tǒng)的動力學模型、可靠性模型及可靠性靈敏度分析，對系統(tǒng)進行了可靠性穩(wěn)健動態(tài)優(yōu)化，為盾構(gòu)大功率減速器的設(shè)計、制造提供理論參考。論文的主要內(nèi)容如下：
　　 ①盾構(gòu)機大功率三級行星傳動系統(tǒng)動力學特

4、性的研究?？紤]到多級行星傳動系統(tǒng)中時變嚙合剛度、嚙合誤差等內(nèi)部激勵以及外載荷波動形成的外部激勵，采用集中參數(shù)法，建立了盾構(gòu)機刀盤驅(qū)動三級行星傳動純扭轉(zhuǎn)動力學模型。通過振動模態(tài)分析，揭示了該行星傳動系統(tǒng)的固有模態(tài)。經(jīng)動態(tài)響應(yīng)分析，獲得系統(tǒng)各嚙合齒輪副間的動態(tài)嚙合力，從而獲得嚙合的動應(yīng)力，為后續(xù)基于應(yīng)力-強度干涉理論的系統(tǒng)可靠性設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。
　　 ②盾構(gòu)機大功率三級行星傳動系統(tǒng)可靠性模型的研究。采用失效模式及影響分析法，確定盾構(gòu)

5、機行星齒輪減速器的重要元件及其主要失效形式，從而建立了系統(tǒng)的可靠性框圖。采用近似概率法對應(yīng)力、強度等隨機變量的概率分布進行描述，分別建立了齒輪失效單元和軸承失效單元的可靠性計算模型。通過失效單元的可靠性計算，找出易于發(fā)生的失效模式。在系統(tǒng)層運用應(yīng)力-強度干涉理論推導出了在多失效模式及多因素相關(guān)條件下機械傳動系統(tǒng)可靠性的一般計算模型。在此基礎(chǔ)上進一步建立了盾構(gòu)機刀盤驅(qū)動三級行星傳動系統(tǒng)的可靠性計算模型，對該系統(tǒng)的可靠性進行了較準確的評估。

6、由于系統(tǒng)中失效單元數(shù)較多，計算時主要考慮了可能發(fā)生失效的單元；同時，由于各失效模式間的相關(guān)性是多方面的，計算時主要考慮了關(guān)于載荷上的相關(guān)性。最后，對系統(tǒng)的動態(tài)可靠性進行了研究，得到了系統(tǒng)的可靠度曲線、失效率曲線。
　　 ③盾構(gòu)機大功率三級行星傳動系統(tǒng)可靠性仿真的研究。運用Monte Carlo方法結(jié)合x2檢驗，模擬并檢驗了盾構(gòu)機刀盤驅(qū)動行星傳動各齒輪的齒面接觸應(yīng)力、接觸強度以及齒根彎曲應(yīng)力、彎曲強度的分布規(guī)律。根據(jù)已獲得的應(yīng)力和

7、強度的分布規(guī)律，通過Monte Carlo方法模擬得到齒輪接觸、彎曲失效單元的可靠度以及三級齒輪系統(tǒng)的可靠度，與采用解析法得出的結(jié)果相對比，驗證了所建立的盾構(gòu)機刀盤驅(qū)動失效單元及系統(tǒng)可靠性模型的正確性。為盾構(gòu)機刀盤驅(qū)動行星減速器的可靠性設(shè)計提供較為準確的數(shù)值分析方法和理論參考。
　　 ④盾構(gòu)機大功率減速器齒輪可靠性靈敏度的研究。在前述可靠性分析的基礎(chǔ)上，采用四階矩方法對盾構(gòu)機行星減速器齒輪的接觸和彎曲可靠性靈敏度進行了分析。同時

8、，采用重要抽樣法獲得可靠性靈敏度的精確解，對分析結(jié)果進行了驗證。為后續(xù)可靠性穩(wěn)健設(shè)計及減速器齒輪的加工制造提供了基礎(chǔ)與參考。
　　 ⑤盾構(gòu)機大功率三級行星傳動系統(tǒng)可靠性穩(wěn)健動態(tài)優(yōu)化的研究?？紤]到刀盤驅(qū)動大功率減速器必須具有高可靠性和良好的動力學特性的設(shè)計要求，在前述建立的系統(tǒng)動力學模型、可靠性模型和可靠性靈敏度分析基礎(chǔ)上，以傳動系統(tǒng)可靠度最大、低速級太陽輪可靠性靈敏度最小、各級的外嚙合齒輪副使用系數(shù)和動載系數(shù)乘積最小作為優(yōu)化目標