基于土压平衡盾构机大功率减速器的可靠性评估及参数优化设计

摘要

随着我国经济发展和城市建设步伐的加快，盾构机在全国范围内得到快速发展。盾构施工法是在地面下暗挖隧洞的一种施工方法，它使用盾构机在地下掘进，在防止软基开挖面崩塌或保持开挖面稳定的同时，在机内安全地进行隧洞的开挖和衬砌作业，整个隧道一次成型。经济高速发展的今天，越来越多的工程建设单位首选盾构机来代替效率低下的传统掘进法进行隧道挖掘。
　　土压平衡盾构机的减速器是驱动刀盘运转的重要部件之一，它一边与液压马达相连，一边与驱动刀盘旋转的主轴齿轮啮合，是连接两者的枢纽，不仅起着传递运动和动力的作用，还能在发生紧急制动的情况下承受载荷冲击。由于其特殊的变载荷使用工况和地下工作等使用环境，要求具有高可靠性，重量轻，易维护及经济性，然而，国产化设计制造的大功率减速器却不能满足这些条件。因此，研究大功率三级行星齿轮减速器的可靠性评估及参数优化设计成为解决当今国内大功率减速器设计制造问题的迫切任务之一。
　　论文课题受国家863计划项目资助，以三级行星齿轮传动系统为研究对象，对系统的可靠性评估和参数优化设计问题进行研究，为大功率减速器的国产化设计制造提供科学合理的方法和理论基础。
　　具体的研究工作有以下几个方面：
　　①基于FMECA分析技术建立减速器系统的可靠性框图以及故障树模型图，求解出系统需要控制的一阶最小割集，为后续系统的可靠性评估奠定了基础；
　　②对齿轮的接触单元、弯曲单元以及滚动轴承的接触单元进行可靠性分析，并基于可靠性预测和可靠性分配建立系统的可靠性评估模型；
　　③基于之前的可靠性分析，使用MATLAB软件优化工具箱对各单级参数优化设计模型进行优化设计计算，对滚动轴承也进行相关的可靠性优化设计计算，并使用ANSYS-WORKBENCH软件对减速器第三级优化后的a-c、c-b啮合的接触疲劳应力单元进行有限元分析；
　　④给出优化后参数与原参数的各种对比结果，证明本论文提出的可靠性评估方法和优化设计方法的科学性和合理性。

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1 绪论

1.1 本文研究的背景和意义

1.2 国内外盾构机发展现状

1.3 三级行星齿轮传动系统可靠性优化设计现状

1.4 本文研究的主要内容

1.5 本章小结

2 土压平衡盾构机及其减速器概述

2.1 引言

2.2 盾构机特点和类型

2.3 土压平衡盾构机的组成和工作原理

2.4 土压平衡盾构机三级行星齿轮减速器

2.5 本章小结

3 基于FMECA的三级行星齿轮减速器可靠性分析

3.1 引言

3.2 FMECA 方法的分类与选择

3.3 确定失效形式和严酷度类别

3.4 确定系统可靠性框图

3.5 系统故障树分析

3.6 本章小结

4 三级行星齿轮减速器可靠性评估模型的建立

4.1 引言

4.2 应力-强度分布干涉理论与可靠度的一般表达式

4.3 齿轮的可靠性评估模型

4.4 滚动轴承的可靠性评估模型

4.5 系统可靠性评估模型

4.6 本章小结

5 基于可靠性分析的三级行星齿轮减速器参数优化设计

5.1 引言

5.2 行星齿轮传动系统参数优化设计

5.3 滚动轴承的可靠性优化设计

5.4 优化计算方法

5.5 强度验算方法

5.6 本章小结

6 三级行星齿轮减速器设计计算过程

6.1 引言

6.2 减速器的设计与分析

6.3 本章小结

7 总结及展望

致谢

参考文献

附 录