接触网检修作业车车轴齿轮箱可靠性优化设计

摘要

本文对新型接触网检修作业车车轴齿轮箱进行设计。为确保其性能好、成本低、可靠性高,设计时采用了一种可靠性设计与优化设计相结合的新型设计方法——可靠性优化设计法。该方法弥补了优化设计不能真实反映运行工况的缺陷,解决了可靠性设计往往得不到最优解的问题。
　　由于期望可靠度的取值将影响优化解可行域的大小,所以应在考虑系统性能、成本等的基础上精心设计,这在实际工程中难度较高。为避免经验不足造成取值不当,本文采用以可靠度既为约束条件又为目标函数,并以齿轮箱体积最小也为目标函数的双目标可靠性优化模型。通过与以可靠度为约束条件的优化模型、以可靠度为目标函数的优化模型的优化解对比,验证了所选模型更能体现车轴齿轮箱的设计理念,即在确保性能高、成本低的条件下,齿轮箱的可靠性尽量高。
　　由于影响车轴齿轮箱可靠度与体积的关键元素是齿轮,所以本文在建立可靠性优化数学模型时,以齿轮的可靠度和体积作为目标函数,以齿轮的各参数作为设计变量,约束条件包括了边界约束条件和可靠性约束条件。为便于计算,本文通过引入权重系数将双目标函数处理为单目标函数。由建立的数学模型可知,这是非线性有约束多元函数最小化问题,可采用比惩罚函数法更优的序列二次规划算法进行求解。该算法收敛速度快、效率高、算法可靠,且编程简单,可在MATLAB中直接调用fmincon函数进行求解。
　　本设计按四个步骤完成。首先,根据设计要求完成车轴齿轮箱的初步设计,并基于SolidWorks2013,对其进行三维仿真建模;其次,通过强度校核与可靠性分析,验证其满足设计要求,从而完成齿轮箱的传统设计;然后,以传统设计的齿轮箱为初值,进行可靠性优化设计,并用最优解去修改传统设计,得到设计最优的车轴齿轮箱;最后,对优化后的车轴齿轮箱进行可靠性分析,对箱体进行模态分析,计算箱体发生共振时的齿轮箱输入转速,以便工作时避开该转速,有效地降低噪音,提高齿轮箱使用寿命。
　　通过对比发现:可靠性优化设计的车轴齿轮箱较传统设计的齿轮箱体积减少了9.13％,在1年的使用寿命周期内,可靠度提升了2.2171%。这说明传统设计过于保守,各参数的取值并不最优。由此可见,车轴齿轮箱设计时,很有必要对其进行可靠性优化设计。

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1 绪论

1.1 接触网检修作业车的国内外发展现状及趋势

1.2 车轴齿轮箱的国内外发展现状及趋势

1.3 论文的选题背景及意义

1.4 论文的主要工作内容及难点

1.5 本章小结

2 车轴齿轮箱的设计与仿真建模

2.1 引言

2.2 车轴齿轮箱各零部件的设计与仿真建模

2.3 车轴齿轮箱的虚拟装配及动画仿真

2.4 本章小结

3 车轴齿轮箱的校核

3.1 齿轮的强度校核

3.2 轴的强度校核

3.3 轴承的强度校核

3.5 车轴齿轮箱的可靠性校核

3.6 本章小结

4 车轴齿轮箱的可靠性优化

4.1 可靠性优化设计简介

4.2 车轴齿轮箱可靠性优化模型

4.3 选择优化算法

4.4 求解数学模型

4.5 圆整与验证结果

4.6 结果分析

4.7 修改常规设计

4.8 本章小结

5 车轴齿轮箱性能评价

5.1 车轴齿轮箱的可靠性分析

5.2 车轴齿轮箱箱体模态分析

5.3 车轴齿轮箱的使用注意事项

5.4 本章小结

结论

致谢

参考文献

附录A 符号意义和单位

附录B 润滑系统油路示意图

附录C Matlab双目标可靠性优化编程程序