XG45-9/540机车车轴齿轮箱的可靠性设计及失效分析

摘要

本文叙述了可靠性学科的产生和发展,分析了减速器的发展现状及趋势,通过分析得知目前在国内机械行业,可靠性的理论和实践正在得到越来越深入的研究。事实证明,对于机械系统而言,有无可靠性设计总体方案,以及可靠性方案成功与否,是决定机械系统正常运行成败的关键因素,无论是从节省人力、物力、降低成本方面看,还是从加速试制进度,保证产品质量与可靠性水平方面看,都具有特别重要的意义。
　　随着机械行业的迅速发展,各种机械设计软件也相应出现,用户在追求高质量低价格和短交货期的同时,会缩短产品的更新换代周期,从而传统的设计模式渐渐的被虚拟设计技术取代。设计者通过虚拟装配检查各零部件尺寸以及可装配性,即时修改错误;通过虚拟原型进行虚拟试验,而不用再去做更多的实物试验。这样,既节省了时间又节约了费用。本文运用三维绘图软件SolidWorks作为虚拟设计平台,建立了XG45-9/540机车车轴齿轮箱的三维实体模型,并使用软件SolidWorks的虚拟装配和动态仿真功能,实现了箱体的可视化分析。
　　在运用软件SolidWorks建立箱体模型可视化的基础上,本文进行了可靠性分析,确定系统分析流程、系统部件和系统风险元素,从而得出可靠性结构为布尔串联结构,并简化了系统非风险元素,使可靠性分析中的计算更加简单。
　　通过可靠性分析,计算得出的XG45-9/540机车车轴齿轮箱的可靠度较低,为此通过可靠性设计提高其可靠度。通常在机械产品可靠性设计中,要提高其可靠度,并达到机械产品结构和性能的最优,需要把机械优化设计思想贯穿于可靠性设计过程中,对XG45-9/540机车车轴齿轮箱进行可靠性优化设计,是在满足齿轮强度、可靠度和其它性能规格的条件下,使减速器体积最小、重量最轻。
　　按照这种设计思想,建立了可靠性优化设计数学模型,利用MATLAB的优化工具箱求解工程实际问题,进行可靠性优化设计计算。计算得出的系统可靠性优化结果表明,减速器在规定时间内运行时,可靠度达到99％,减速器的体积减小6.3%,使减速器的结构更紧凑,便于整机装配,体现了可靠性优化设计的效益。
　　由于机械系统在长时间的工作过程中,受到环境和载荷的影响,避免不了发生失效。针对这种情况,本文对XG45-9/540机车车轴齿轮箱吊座断裂进行了失效分析,叙述了故障原因,并确定了以应力分析为目标主线进行有限元分析。通过SolidWorks与有限元分析软件ANSYS的接口,将已经建立完成的模型导入ANSYS中,运用ANSYS对箱体吊座进行应力分析,得到了箱体受力分布云图及应力集中处的路径曲线。同时运用SolidWorks内置的设计分析工具COSMOSXpress,对吊座断裂再次进行应力分析,得出受力集中的部位与ANSYS分析的结果相同。并把ANSYS与COSMOSXpress的应力分析结果与现场吊座的断裂部位进行比较,符合实际断裂情况,得出了箱体吊座断裂的原因有可能为瞬时重载所致。
　　本文将建模、分析、设计、优化集于一体进行研究,对提高XG45-9/540机车车轴齿轮箱的设计效率和设计水平具有重要意义。

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1 绪论

1.1可靠性学科的产生与发展状况

1.2减速器的发展现状及趋势

1.3 本课题研究的背景及意义

1.4本课题的研究内容

1.5本章小结

2 XG45-9/540机车车轴齿轮箱的虚拟设计

2.1引言

2.2轴承的建模

2.3车轴的建模

2.4齿轮类零件建模

2.5 直齿轮轴的建模

2.6 螺旋伞齿轮的建模

2.7 螺栓连接件的建模

2.8上箱体和下箱体SolidWorks模型

2.9齿轮箱的高效虚拟装配

2.10 XG45-9/540机车车轴齿轮箱内部传动结构

2.11本章小结

3 XG45-9/540机车车轴齿轮箱的可靠性分析

3.1引言

3.2 XG45-9/540机车车轴齿轮箱可靠性分析

3.3 威布尔设计法在可靠性计算中的应用

3.4 本章小结

4 XG45-9/540机车车轴齿轮箱可靠性设计

4.1引言

4.2 机械产品的可靠性优化设计

4.3 可靠性优化设计流程图

4.4 XG45-9/540机车车轴齿轮箱的可靠性优化求解

4.5本章小结

5 XG45-9/540机车车轴齿轮箱失效分析

5.1 引言

5.2齿轮箱吊座的失效分析

5.3 运用ANSYS有限元软件对齿轮箱箱体吊座进行应力分析

5.4 运用COSMOSXpress对齿轮箱吊座进行应力分析

5.5以应力分析为主线的分析结论

5.6本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

附录A 基于Matlab编写的齿轮箱可靠性优化设计计算程序

攻读学位期间的研究成果