基于动力学的土压平衡盾构减速器齿轮传动系统可靠性评估及参数优化设计

论文摘要

随着国民经济和城市建设的快速发展,地下空间的开发利用越来越迫切,盾构机作为一种快速、安全有效、自动化程度高的隧道掘进设备,受到广泛的应用。盾构减速器作为盾构机刀盘驱动系统的核心关键设备,由于其特殊的工作条件,要求其振动噪声小、可靠性高。因此,开展变工况下盾构减速器齿轮传动系统动力学特性研究以及基于动力学的可靠性评估,有助于提高盾构减速器的性能,从而进一步加快盾构减速器的国产化进程。本论文依托国家863计划先进制造技术领域全断面掘进机关键技术项目土压平衡盾构大功率减速器课题研究开发任务,以自主设计制造的φ6.3m土压平衡盾构减速器齿轮传动系统为研究对象,研究了在时变外部激励和时变内部激励共同作用下土压平衡盾构减速器齿轮传动系统的动力学特性,求得了各级齿轮副啮合的使用系数和动载系数,并在此基础上,对系统进行了可靠性评估和参数优化设计,为土压平衡盾构减速器的国产化应用提供了科学合理的方法和理论支撑。具体的研究工作如下:①采用集中质量法建立了包含时变啮合刚度,传动误差和阻尼影响的土压平衡盾构减速器三级行星齿轮传动系统纯扭转动力学模型,针对土压平衡盾构减速器齿轮传动系统的特性,分析了系统的外载荷,时变啮合刚度,传动误差和阻尼。②根据机械动力学理论求得了系统振动的固有频率和振型,并分析了其动力学特性。求得了包含变载荷和时变啮合刚度下系统各级齿轮副的振动位移响应和动态啮合力响应,分析了系统各齿轮副的振动位移以及动态啮合力随外部激励的变化规律。③分析了变载荷下,系统各级齿轮副啮合的动载系数和使用系数的表达式,并通过动力学分析,求得了其使用系数和动载系数变化曲线,分析了其变化规律,为载荷系数的取值提供了科学合理的方法。④分析了系统的失效模式,建立了系统的可靠性评估模型,并计算了自主设计制造的φ6.3m土压平衡盾构减速器齿轮传动系统的可靠度。⑤建立了行星齿轮传动系统基于动力学和可靠性的参数优化设计数学模型,针对盾构减速器第三级行星齿轮系统可靠度偏低的问题,对盾构减速器第三级行星齿轮传动系统进行了以可靠度最高为目标的优化设计,优化后的设计参数能明显的提高第三级行星齿轮传动的可靠度。本文所做的研究工作,为土压平衡盾构减速器的设计提供了一定的理论参考,为土压平衡盾构减速器的工程应用奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 本文的研究背景、意义
• 1.2 盾构机的研究和发展现状
• 1.3 齿轮系统动力学研究现状
• 1.3.1 齿轮系统动力学分析研究现状
• 1.3.2 行星齿轮动力学分析研究现状
• 1.3.3 齿轮系统动力学方程的求解方法研究现状
• 1.4 齿轮传动系统可靠性研究现状
• 1.5 论文的主要研究工作
• 2 盾构减速器齿轮传动系统动力学模型与方程
• 2.1 引言
• 2.2 系统的动力学模型
• 2.2.1 行星齿轮传动系统物理模型
• 2.2.2 行星齿轮传动系统广义坐标系的选取及正方向的定义
• 2.2.3 各构件相互作用时的弹性变形
• 2.2.4 传动系统动力学微分方程
• 2.3 系统的激励分析
• 2.3.1 刚度激励
• 2.3.2 误差激励
• 2.3.3 齿轮副间的阻尼
• 2.3.4 外部激励
• 2.3.5 正态分布随机数的产生
• 2.4 动力学方程中其他关键参数的确定
• 2.5 本章小结
• 3 齿轮传动系统的动态特性及载荷系数分析
• 3.1 引言
• 3.2 系统的固有特性分析
• 3.2.1 相关概念
• 3.2.2 土压平衡盾构减速器齿轮传动系统的固有特性分析
• 3.3 系统的动态响应分析
• 3.3.1 求解分析
• 3.3.2 系统的动力学响应
• 3.4 齿轮的动载荷与载荷系数
• 3.4.1 齿轮动载荷
• 3.4.2 齿轮的载荷系数
• 3.5 载荷系数对可靠性评估的意义
• 3.6 本章小结
• 4 基于动力学的盾构减速器齿轮传动系统可靠性评估
• 4.1 引言
• 4.2 系统的失效模式及影响分析
• 4.3 系统零件可靠度计算模型概述
• 4.3.1 概率密度函数法
• 4.3.2 功能密度函数积分法
• 4.3.3 可靠度系数法
• 4.4 齿轮的可靠性评估模型
• 4.4.1 齿轮接触疲劳强度可靠性评估
• 4.4.2 齿轮弯曲疲劳强度可靠性评估
• 4.5 系统的可靠性评估模型
• 4.5.1 简单机械系统可靠性模型概述
• 4.5.2 土压平衡盾构减速器齿轮传动系统的可靠性评估模型
• 4.6 可靠度计算与评估
• 4.6.1 第一级齿轮传动系统参数计算
• 4.6.2 第二级齿轮传动系统参数计算
• 4.6.3 第三级齿轮传动系统参数计算
• 4.6.4 土压平衡盾构减速器齿轮传动系统的可靠度计算与评估
• 4.7 本章小结
• 5 基于动力学和可靠性的系统参数优化设计
• 5.1 引言
• 5.2 行星齿轮传动系统参数优化设计
• 5.2.1 设计变量和目标函数
• 5.2.2 确定约束函数
• 5.3 优化方法
• 5.4 盾构减速器齿轮传动系统优化结果比较分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录
• B 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目