机械系统动态可靠性分析方法及其在采煤机动力传动系统中的应用

摘要

机械动力传动系统广泛地应用于风力发电机、盾构机、连续采煤机等重工业装备当中，其发展水平和应用领域都标志着我国在能源、矿山、化工和交通运输等重要行业中机械装备的科技水平与研发能力。机械动力传动系统的可靠性与工业生产的安全性、精确性和高效性密切相关，同时也对企业工作人员的生命安全和经济效益有着至关重要的影响。在工程实际中，机械动力系统常处于重载、变速与高频振动等耦合的复杂工况环境中，这要求动力系统的可靠性评价既需要考虑系统固有随机因素的影响，又要着眼于系统的运动过程的动力学性能。由此，机械系统的动态可靠性分析不仅体现了概率因素影响下的机械结构的功能属性，同时也表征了工作运转状态下系统性能的动态性。本课题以MG300/700-WD双滚筒采煤机的牵引部动力传动系统为应用对象，研究了复杂机械动力传动系统的动态可靠性与可靠性灵敏度的分析方法。论文主要工作内容如下: (1)针对于采煤机的机械动力传动系统，考虑了系统的重载与变载的工作环境，建立了牵引部变速运动的动力传动系统模型，在波动负载的工作条件下分析了采煤机牵引部动力传动系统的各关键位置的动态响应。同时结合“国家能源煤矿采掘机械装备研发中心”的滚筒采煤机实测数据进行了模型对比与验证分析。考虑在确定性与随机噪声激励的共同作用下，提出了含非线性因素的机械动力传动系统响应统计矩的迭代方法，获取了采煤机牵引部动力传递系统响应的数学期望、标准差与协方差等概率统计信息。 (2)研究了机械动力传动系统动态可靠性与可靠性灵敏度分析的鞍点逼近法，探讨了在任意分布条件下鞍点的分布范围与计算表达式，提出了任意分布条件下的机械系统动态可靠性分析方法。通过建立采煤机牵引部动力传动系统的动态应力强度可靠性模型，分析了牵引部动力系统的动态可靠性及结构参数、环境参数与材料参数的可靠性灵敏度，提出了以结构参数为设计变量的最优系统可靠性模型和最小占用空间模型的概率优化设计方法。 (3)研究了在任意参数分布条件下机械动力传动系统动态可靠性分析的改进鞍点逼近方法。研究了在机械应力强度干涉模型中改进的动态可靠性与可靠性灵敏度方法的应用，并且说明了改进动态可靠性分析方法的计算效率与计算误差。基于系统动态应力强度干涉模型，分析了牵引部动力传动系统的动态可靠性与参数动态可靠性灵敏度，讨论了不同材料强度条件下系统参数的可靠性灵敏度随着载荷作用次数变化的动态规律。 (4)研究了机械动力系统的可靠性与可靠性灵敏度分析的高阶随机响应面方法，探讨了高阶随机响应面方法参数选取对于最高整数阶级、计算复杂程度和机械系统的可靠性的影响，提出了高阶随机响应面方法中范围参数设置与拟合精度参数的选取准则。通过构建采煤机牵引部复杂机械动力传动系统的运动精度可靠性模型，分析了牵引部传动系统的运动精度可靠性及系统结构参数的可靠性灵敏度，获取了基于系统运动精度模型的最优可靠性模型和最小占用空间优化模型。 (5)研究了机械动力系统的可靠性分析的分数阶随机响应面方法。针对复杂系统中的非线性因素与响应面的非正整数阶次，提出了分数阶多项式随机响应面分析方法，给出了多项式响应面中分数阶次的选取范围与约束条件，讨论了响应面采样点的选取方法，以及多变量分数阶响应面独立项阶次的计算方法与混合交叉项构建方法，结合机械系统应力强度与运动精度的动态耦合模型，获取了采煤机牵引部动力传动系统的动态可靠性与参数动态可靠性灵敏度。

目录

声明

摘要

符号说明

第1章绪论

1．1课题来源、背景与意义

1．1．1课题来源

1．1．2研究背景与意义

1．2国内外发展与研究现状

1．2．1采煤机结构性能研究现状

1．2．2齿轮机构传递系统动力学研究现状

1．2．3机械系统可靠性分析方法

1．2．4采煤机可靠性研究现状

1．2．5采煤机牵引部研究现状

1．3论文主要内容与结构

1．4本章小结

第2章采煤机牵引部系统建模与动态特性分析

2．1采煤机牵引部恒速运转传动系统模型

2．1．1牵引部动力传动系统模型

2．1．2多级齿轮传动系统建模方法

2．2牵引部变速运转系统动力学模型

2．2．1机械动力传动系统振动微分方程

2．2．2变速运转条件下系统动力学方程

2．3平稳运转工况下牵引部传动系统动力学响应分析

2．3．1牵引部变速传动系统响应分析

2．3．2采煤机牵引部传动系统试验测试

2．4噪声激励下的采煤机系统动态响应分析

2．4．1随机迭代方法

2．4．2噪声激励下的传动系统统计矩的随机迭代方法

2．4．3采煤机牵引部传动系统统计矩响应分析

2．5本章小结

第3章牵引部传动系统动态可靠性分析的鞍点逼近方法

3．1鞍点逼近方法的基本理论

3．1．1鞍点逼近分析方法

3．1．2任意分布条件下的鞍点分析

3．2基于鞍点逼近方法的机械系统动态可靠性方法

3．2．1基于鞍点逼近方法的可靠性分析

3．2．2基于鞍点逼近方法的可靠性灵敏度分析

3．2．3正态分布条件下可靠性与可靠性灵敏度的精确解析解

3．3采煤机牵引部传动系统可靠性模型

3．3．1牵引部传动系统动态应力分析

3．3．2采煤机牵引部动态应力强度可靠性模型

3．4采煤机牵引部传动系统动态应力强度可靠性分析

3．4．1采煤机牵引部传动系统动态可靠性分析

3．4．2采煤机牵引部传动系统可靠性灵敏度分析

3．5基于鞍点逼近方法的牵引部动态应力强度可靠性优化设计

3．6本章小结

第4章牵引部动力传动系统概率性能评价的改进动态可靠性方法

4．1机械结构动态可靠性模型

4．2改进动态可靠性计算方法

4．2．1改进动态可靠性模型

4．2．2模型误差分析

4．2．3改进动态可靠性与可靠性灵敏度计算方法

4．3基于改进动态可靠性模型的工程应用

4．3．1定强度条件下应力强度干涉模型

4．3．2含指数与幂函数的功能函数

4．3．3随机强度条件下应力强度干涉模型

4．3．4数值工程算例

4．4基于改进动态可靠性方法的牵引部传动系统可靠性分析

4．4．1采煤机牵引部传动系统动态应力强度可靠性分析

4．4．2采煤机牵引部传动系统参数可靠性灵敏度分析

4．5本章小结

第5章牵引部传动系统运动精度可靠性分析的高阶随机响应面方法

5．1高阶随机响应面方法

5．1．1响应面方法

5．1．2高阶随机响应面分析方法

5．1．3高阶随机响应面计算流程

5．2基于高阶随机响应面方法可靠性计算

5．2．1机械系统动态可靠性模型

5．2．2基于高阶随机响应面方法的可靠性计算

5．2．3基于高阶随机响应面方法的可靠性灵敏度计算

5．3采煤机牵引部传动系统运动精度可靠性分析

5．3．1牵引部系统运动精度可靠性模型

5．3．2响应面参数选取的影响

5．3．3采煤机牵引部传动系统可靠性分析

5．3．4采煤机牵引部传动系统可靠性灵敏度分析

5．4基于响应面方法的牵引部运动精度可靠性优化设计

5．5本章小结

第6章分数阶随机响应面方法及可靠性分析

6．1分数阶响应面的参数选取

6．1．1分数阶次范围估计

6．1．2分数阶次约束条件

6．1．3采样点选取方法

6．2分数阶随机响应面方法

6．2．1单变量分数阶响应面

6．2．2多变量分数阶响应面

6．2．3混合交叉项计算

6．3分数阶随机响应面方法工程应用与可靠性分析

6．3．1含幂函数功能函数

6．3．2含指数项功能函数

6．3．3桁架结构

6．3．4振动系统

6．4基于分数阶随机响应面方法的牵引部动态可靠性分析

6．4．1牵引部传动系统动态可靠性分析

6．4．2牵引部传动系统动态可靠性灵敏度分析

6．5本章小结

第7章结论与展望

7．1研究总结

7．2论文创新点

7．3研究工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论著、科研和获奖情况

作者简介