基于動(dòng)力學(xué)的盾構(gòu)機(jī)行星傳動(dòng)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(jī)械傳動(dòng)裝置，如盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)大功率減速器。盾構(gòu)機(jī)是專用于地下隧道工程挖掘的重大裝備，其刀盤驅(qū)動(dòng)大功率減速器是進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)的主要裝置，起著驅(qū)動(dòng)刀盤切割巖土的作用。由于盾構(gòu)法施工是在地層深處進(jìn)行的較為復(fù)雜的施工活動(dòng)，施工地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，刀盤驅(qū)動(dòng)大功率減速器處于變載荷工況下運(yùn)轉(zhuǎn)；同時(shí)，大功率減速器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜會(huì)使系統(tǒng)內(nèi)部彼此相關(guān)的任一部分失效而

2、導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障的機(jī)會(huì)大大增加，并且在十幾米乃至幾十米的地下對其進(jìn)行維修是件非常困難的事情，因此要求刀盤驅(qū)動(dòng)大功率減速器必須具有較高的可靠性和良好的動(dòng)態(tài)特性，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)必須計(jì)及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)因素對其進(jìn)行準(zhǔn)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(jì)劃(863計(jì)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(dòng)串聯(lián)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，首先建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，獲得各嚙合齒輪副間的動(dòng)應(yīng)力

3、；在此基礎(chǔ)上，考慮齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中各失效模式間的相關(guān)性及強(qiáng)度退化的影響，建立了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)可靠性模型，并運(yùn)用Monte Calor法對系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了模擬，驗(yàn)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(jìn)行了分析；最后，基于系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型、可靠性模型及可靠性靈敏度分析，對系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性穩(wěn)健動(dòng)態(tài)優(yōu)化，為盾構(gòu)大功率減速器的設(shè)計(jì)、制造提供理論參考。論文的主要內(nèi)容如下：
　　 ①盾構(gòu)機(jī)大功率三級行星傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特

4、性的研究?？紤]到多級行星傳動(dòng)系統(tǒng)中時(shí)變嚙合剛度、嚙合誤差等內(nèi)部激勵(lì)以及外載荷波動(dòng)形成的外部激勵(lì)，采用集中參數(shù)法，建立了盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)三級行星傳動(dòng)純扭轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)模型。通過振動(dòng)模態(tài)分析，揭示了該行星傳動(dòng)系統(tǒng)的固有模態(tài)。經(jīng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，獲得系統(tǒng)各嚙合齒輪副間的動(dòng)態(tài)嚙合力，從而獲得嚙合的動(dòng)應(yīng)力，為后續(xù)基于應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論的系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
　　 ②盾構(gòu)機(jī)大功率三級行星傳動(dòng)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(jī)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(qiáng)度等隨機(jī)變量的概率分布進(jìn)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(jì)算模型。通過失效單元的可靠性計(jì)算，找出易于發(fā)生的失效模式。在系統(tǒng)層運(yùn)用應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論推導(dǎo)出了在多失效模式及多因素相關(guān)條件下機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性的一般計(jì)算模型。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立了盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)三級行星傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性計(jì)算模型，對該系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了較準(zhǔn)確的評估。

6、由于系統(tǒng)中失效單元數(shù)較多，計(jì)算時(shí)主要考慮了可能發(fā)生失效的單元；同時(shí)，由于各失效模式間的相關(guān)性是多方面的，計(jì)算時(shí)主要考慮了關(guān)于載荷上的相關(guān)性。最后，對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)可靠性進(jìn)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(jī)大功率三級行星傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性仿真的研究。運(yùn)用Monte Carlo方法結(jié)合x2檢驗(yàn)，模擬并檢驗(yàn)了盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)行星傳動(dòng)各齒輪的齒面接觸應(yīng)力、接觸強(qiáng)度以及齒根彎曲應(yīng)力、彎曲強(qiáng)度的分布規(guī)律。根據(jù)已獲得的應(yīng)力和

7、強(qiáng)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(yàn)證了所建立的盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)失效單元及系統(tǒng)可靠性模型的正確性。為盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)行星減速器的可靠性設(shè)計(jì)提供較為準(zhǔn)確的數(shù)值分析方法和理論參考。
　　 ④盾構(gòu)機(jī)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(jī)行星減速器齒輪的接觸和彎曲可靠性靈敏度進(jìn)行了分析。同時(shí)

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(jìn)行了驗(yàn)證。為后續(xù)可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)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(jī)大功率三級行星傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性穩(wěn)健動(dòng)態(tài)優(yōu)化的研究?？紤]到刀盤驅(qū)動(dòng)大功率減速器必須具有高可靠性和良好的動(dòng)力學(xué)特性的設(shè)計(jì)要求，在前述建立的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、可靠性模型和可靠性靈敏度分析基礎(chǔ)上，以傳動(dòng)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(dòng)載系數(shù)乘積最小作為優(yōu)化目標(biāo)