基于動力學的盾構機行星傳動系統(tǒng)的可靠性研究.pdf

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

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，在產品設計時必須計及系統(tǒng)動力學因素對其進行準確的可靠性分析和評估。
　　 本文結合國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)“土壓平衡盾構大功率減速器”課題的研究，針對其三級2K-H型行星傳動串聯(lián)的結構特點，首先建立系統(tǒng)的動力學模型，并進行動態(tài)響應分析，獲得各嚙合齒輪副間的動應力

3、；在此基礎上，考慮齒輪傳動系統(tǒng)中各失效模式間的相關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，為盾構大功率減速器的設計、制造提供理論參考。論文的主要內容如下：
　　 ①盾構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、嚙合誤差等內部激勵以及外載荷波動形成的外部激勵，采用集中參數法，建立了盾構機刀盤驅動三級行星傳動純扭轉動力學模型。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)。經動態(tài)響應分析，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力，為后續(xù)基于應力-強度干涉理論的系統(tǒng)可靠性設計奠定了基礎。
　　 ②盾構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

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)層運用應力-強度干涉理論推導出了在多失效模式及多因素相關條件下機械傳動系統(tǒng)可靠性的一般計算模型。在此基礎上進一步建立了盾構機刀盤驅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性是多方面的，計算時主要考慮了關于載荷上的相關性。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方法結合x2檢驗，模擬并檢驗了盾構機刀盤驅動行星傳動各齒輪的齒面接觸應力、接觸強度以及齒根彎曲應力、彎曲強度的分布規(guī)律。根據已獲得的應力和

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果相對比，驗證了所建立的盾構機刀盤驅動失效單元及系統(tǒng)可靠性模型的正確性。為盾構機刀盤驅動行星減速器的可靠性設計提供較為準確的數值分析方法和理論參考。
　　 ④盾構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上，采用四階矩方法對盾構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，對分析結果進行了驗證。為后續(xù)可靠性穩(wěn)健設計及減速器齒輪的加工制造提供了基礎與參考。
　　 ⑤盾構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和動載系數乘積最小作為優(yōu)化目標