靳予記 劉若蘭

摘要： 本文綜述了國(guó)內(nèi)外采煤機(jī)行星機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，對(duì)影響行星機(jī)構(gòu)的可靠性的主要因素進(jìn)行了介紹，分析了影響因素與行星機(jī)構(gòu)壽命之間的關(guān)系，簡(jiǎn)述了采煤機(jī)行星機(jī)構(gòu)可靠性及優(yōu)化方法，同時(shí)對(duì)采煤機(jī)行星機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)及其進(jìn)一步研究的幾個(gè)方面進(jìn)行了展望。

Abstract： This paper summarizes the research status of shearer planetary mechanism at home and abroad. The main factors affecting the reliability of planetary institutions are introduced.The relationship between the influencing factors and the life of planetary mechanism is analyzed， The reliability and optimization method of shearer planetary mechanism are described. At the same time， the development trend of shearer planetary mechanism and several aspects of further research are prospected.

關(guān)鍵詞： 行星機(jī)構(gòu);可靠性;優(yōu)化方法

Key words： planetary mechanism;reliability;optimization method

中圖分類號(hào)：TD421.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?   ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）20-0159-03

0? 引言

如何提高采掘機(jī)械的工作效率及其可靠性大小，隨著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展變得更加迫切、重要。行星減速傳動(dòng)系統(tǒng)作為工業(yè)生產(chǎn)中重要且不可缺少關(guān)鍵部位，具有結(jié)構(gòu)尺寸小，輸出扭矩大，速比大、效率高、性能安全可靠等特點(diǎn)[1-2]，對(duì)提高采掘機(jī)械的工作效率占據(jù)著不可替代地位。因此，提高行星傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性對(duì)機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)、效率的提高都具有重大意義?？煽啃宰鳛橐粋€(gè)抽象研究課題，它的研究理論、方法是十分復(fù)雜多樣的，狹義上講可靠性是產(chǎn)品在工作的過(guò)程中無(wú)故障發(fā)生的性質(zhì)，廣義上是客戶對(duì)產(chǎn)品的滿意程度。

1? 關(guān)于行星減速傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性研究

1.1 可靠性研究及發(fā)展? 目前人類對(duì)于可靠性規(guī)律及其可靠性優(yōu)化問(wèn)題的研究開(kāi)拓出新的領(lǐng)域，在20世紀(jì)初期，數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)在可靠性領(lǐng)域得到快速發(fā)展，其間工程實(shí)踐中應(yīng)用了極限理論、事件疲勞、維修概率等相關(guān)知識(shí)[3]。對(duì)可靠性基礎(chǔ)理論開(kāi)始進(jìn)行探究的標(biāo)志是20世紀(jì)初的學(xué)者將概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)運(yùn)用到了機(jī)構(gòu)的安全性分析上;在接下來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，各個(gè)國(guó)家專家、學(xué)者使用隨機(jī)變量的均值和方差、統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)等數(shù)學(xué)理論對(duì)機(jī)構(gòu)可靠性進(jìn)行研究;Shewhart第一次將可靠性技術(shù)與質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，使檢測(cè)效率得到較大提高;在20世紀(jì)中期，可靠性已經(jīng)成為了一項(xiàng)獨(dú)立學(xué)科并得到了快速的發(fā)展，其應(yīng)用與多個(gè)學(xué)科有著緊密的聯(lián)系，同時(shí)可靠性研究領(lǐng)域已經(jīng)從高精尖行業(yè)（航空、電子等）開(kāi)始往機(jī)械、電器、建筑等相關(guān)行業(yè)進(jìn)行發(fā)展。C.A.Cornell建立模型計(jì)算可靠度使用一次二階方法求解結(jié)構(gòu)的方法，在傳統(tǒng)的計(jì)算方法做出了突破。

20世紀(jì)末期，可靠性的發(fā)展已經(jīng)趨向現(xiàn)代化，也使可靠性的研究從單一學(xué)科進(jìn)入了多個(gè)學(xué)科交叉研究，其標(biāo)志為CAD、人工智能等與可靠性分析的相結(jié)合;《可靠性與維修性》中結(jié)合了可靠性與其他相關(guān)技術(shù);也出現(xiàn)不少學(xué)者認(rèn)為可靠度是一個(gè)區(qū)間而不是一個(gè)具體數(shù)值，提出了可靠性區(qū)間變量的概念;Ben-Haim發(fā)表了穩(wěn)健性理論。

21 世紀(jì)，可靠性得到了全面的進(jìn)步，不間斷地完備與發(fā)展可靠性的基礎(chǔ)理論知識(shí)和相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系，使可靠性與相關(guān)體系研究在各個(gè)領(lǐng)域研究中取得了快速發(fā)展。Ghodrati B， Kumar U、Khodayar M E、Barati M、Shahidehpour M運(yùn)用可靠性分配系統(tǒng)對(duì)微型電網(wǎng)進(jìn)行了研究。隨著可靠性理論的不斷進(jìn)步，可靠性理論分出了三大關(guān)鍵分支，各個(gè)分支的主要研究方法和作用如表1。

1.2 行星傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型方法研究? 近年，數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)迅速發(fā)展發(fā)展為可靠性問(wèn)題研究開(kāi)展新的領(lǐng)域。開(kāi)展對(duì)行星減速機(jī)構(gòu)可靠性研究對(duì)提供工業(yè)機(jī)械生產(chǎn)效率，提高其在工作過(guò)程中的使用壽命具有重要意義?？煽啃匝芯恐饕臄?shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論有：模糊可靠性理論、蒙特卡洛、正態(tài)分布、維修概率等。針對(duì)數(shù)學(xué)領(lǐng)域?qū)煽啃匝芯繃?guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做了大量的研究和探索。2005年，遼寧工程技術(shù)大學(xué)劉暢以采煤機(jī)MG575-W為研究對(duì)象，運(yùn)用故障樹(shù)之間的邏輯關(guān)系研究牽引部的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，采用Monter-Carlo理論關(guān)系對(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)的仿真，獲得其系統(tǒng)的可靠性的薄弱環(huán)節(jié)是主油泵，對(duì)主油泵建立故障樹(shù)，進(jìn)行模糊分析，獲得油液污染是主油泵發(fā)生故障的主要原因，由此可以提出其可靠性的改良方案，最后提出模糊故障樹(shù)是可以看出故障原因、征兆、診斷矩陣等一系列用來(lái)研究系統(tǒng)可靠性一種可行性及創(chuàng)新的辦法;2010年，東北大學(xué)金雅娟等為了研究陶瓷刀具壽命進(jìn)行可靠性分析，通過(guò)應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論建立氧化鋁陶瓷刀具磨損來(lái)研究壽命的極限狀態(tài)方程，其次把鞍點(diǎn)逼近法運(yùn)用到其壽命可靠性分析之中，獲得其極限方程狀態(tài)下累計(jì)分布函數(shù)圖像和概率密度函數(shù)圖像，最后將鞍點(diǎn)逼近法得到的分析結(jié)構(gòu)和Monter-Carlo方法來(lái)研究可靠性的方法進(jìn)行對(duì)比，得到鞍點(diǎn)逼近得到的結(jié)果具有精度高、計(jì)算簡(jiǎn)單、收斂速度快等優(yōu)點(diǎn);2015年，東北大學(xué)的周笛等對(duì)采煤機(jī)牽引部傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模型的可靠性分析，以鞍點(diǎn)逼近法為依托建立動(dòng)力學(xué)整體結(jié)構(gòu)模型，在各種不同工況下對(duì)牽引部傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了振動(dòng)響應(yīng)分析，獲得在牽引部的不同位置動(dòng)態(tài)接觸應(yīng)力曲線并對(duì)其可靠性進(jìn)行分析，得到牽引部首次運(yùn)轉(zhuǎn)情況下是安全的，運(yùn)轉(zhuǎn)前期可靠性降低的速度相對(duì)較快，在工作的后期可靠性降低的速度比較慢。

1.3 行星傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性數(shù)值仿真研究? 由于數(shù)值仿真技術(shù)的迅速發(fā)展，已經(jīng)滲透于航天、機(jī)械、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，其給可靠性研究提供新的可能?？煽啃缘娜齻€(gè)要素是：耐久性、可維修性、設(shè)計(jì)可靠性。耐久性即是產(chǎn)品的使用壽命;可維修性即是在工作的過(guò)程中出現(xiàn)故障可以很容易的維修和檢查;設(shè)計(jì)可靠性即在生產(chǎn)過(guò)程中充分考慮產(chǎn)品的易使用性和易操作性。2011年，遼寧工程技術(shù)大學(xué)的趙麗娟等以采煤機(jī)截割部傳動(dòng)系統(tǒng)中二級(jí)傳動(dòng)零件行星架為研究對(duì)象，首先對(duì)采煤機(jī)截割部建立剛?cè)狁詈夏Ｐ突贏NSYS、ADAMS、Nfot進(jìn)行協(xié)同仿真，獲得行星架的疲勞損傷點(diǎn)即行星架花鍵處是強(qiáng)度薄弱點(diǎn)，并通過(guò)改變其漸開(kāi)線出花鍵的尺寸大小應(yīng)用APDL語(yǔ)言和ANSYS命令流進(jìn)行優(yōu)化解決了強(qiáng)度不足的問(wèn)題;2016年，遼寧工程技術(shù)大學(xué)趙麗娟、李明昊等以搖臂系統(tǒng)的齒輪為研究對(duì)象，建立采煤機(jī)搖臂剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)VP模型計(jì)算其溫度載荷，并運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)多場(chǎng)耦合下的齒輪副分析，由裂紋后的齒輪模型，運(yùn)用FRANC3D對(duì)裂紋進(jìn)行數(shù)值模擬得到疲勞壽命，獲得齒輪可靠度退化量和裂紋退化量成正比，并提出將斷裂力學(xué)、虛擬樣機(jī)多場(chǎng)耦合技術(shù)相結(jié)合是機(jī)械零件可靠度退化研究新方法。

2? 行星傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性問(wèn)題及優(yōu)化

行星傳動(dòng)系統(tǒng)的主要組成：行星架、齒輪、內(nèi)齒圈。作為機(jī)械設(shè)備中重要的傳動(dòng)部件，一旦在工作過(guò)程中出現(xiàn)將給工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)巨大的危害。因此，分析其故障原因、優(yōu)化方法以提高行星傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性以及延長(zhǎng)其工作過(guò)程中使用壽命具有至關(guān)重要意義。

2.1 行星傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性分析方法? 可靠性預(yù)測(cè)方法主要有：應(yīng)力分析預(yù)計(jì)法、元器件計(jì)數(shù)法、上下限法、蒙特卡洛法。在此研究行星傳動(dòng)系統(tǒng)中主要采用的是應(yīng)力分析預(yù)計(jì)法、蒙特卡洛法。應(yīng)力分析預(yù)計(jì)法：通過(guò)對(duì)機(jī)械零件或構(gòu)件通過(guò)仿真軟件進(jìn)行分析求解應(yīng)力和應(yīng)力分布的方法，由此得到應(yīng)力集中位置、峰值及其應(yīng)變獲得疲勞損傷點(diǎn)即可靠性薄弱位置。對(duì)此常采用解析法、數(shù)值法、實(shí)驗(yàn)法判定應(yīng)力大小及其分布受到載荷、溫度、零件材料性質(zhì)、尺寸、形狀的影響狀況。解析法：在考慮力平衡、變形連續(xù)的問(wèn)題上建立力、變形、溫度等物理關(guān)系及變量間關(guān)系方程。由能量關(guān)系及所研究問(wèn)題實(shí)質(zhì)建立混合泛函，嚴(yán)格運(yùn)用數(shù)學(xué)運(yùn)算，簡(jiǎn)單則得到精確解，倘若復(fù)雜則由尺寸、載荷對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化求其近似解。數(shù)值法是問(wèn)題離散點(diǎn)函數(shù)值數(shù)值解，有限差分法、有限元法是其研究的主要手段。有限差分方程是由基本方程、邊界條件轉(zhuǎn)化而來(lái)，考慮力學(xué)問(wèn)題獲得方程組，最后利用電子計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)步長(zhǎng)獲得精確解。連續(xù)體離散成有限單元是有限元法的主要手段，具有靈活性、通用性，對(duì)復(fù)雜形狀、邊界條件、材料、載荷加以考慮，運(yùn)用計(jì)算機(jī)急性計(jì)算。蒙特卡洛法是以隨機(jī)變量為理論的統(tǒng)計(jì)模擬法，利用隨機(jī)數(shù)來(lái)解決計(jì)算問(wèn)題。此法主要包括三個(gè)步驟：構(gòu)造概率過(guò)程即隨機(jī)問(wèn)題或轉(zhuǎn)化成的隨機(jī)問(wèn)題描述出來(lái)，某些參量即是所求問(wèn)題;概率分布是由概率模型構(gòu)成，概率分布的隨機(jī)變量就是蒙特卡洛研究的基本手段，稱為隨機(jī)抽樣。得到具有矩形分布的相對(duì)獨(dú)立的隨機(jī)變數(shù)序列，是蒙特卡洛模擬的基本工具;構(gòu)造概率模型并抽樣后，迭代計(jì)算之后確定一個(gè)隨機(jī)變量解決所需問(wèn)題稱為無(wú)偏估計(jì)，建立估計(jì)量解決可靠性問(wèn)題。

2.2 行星傳動(dòng)系統(tǒng)失效形式? 行星架作為行星減速機(jī)構(gòu)中承受扭矩的重要部件，影響著齒輪傳動(dòng)中載荷大小的分配，根據(jù)其所承受應(yīng)力及位移大小，判定其可靠性對(duì)行星機(jī)構(gòu)的正常持久工作十分必要。行星架受會(huì)發(fā)生較大變形，花鍵軸與腹板相交處產(chǎn)生應(yīng)力集中，花鍵退刀槽受力超出許用應(yīng)力等現(xiàn)象，因此在工作的過(guò)程中容易出現(xiàn)裂紋、變形、疲勞破壞等一系列結(jié)構(gòu)問(wèn)題。內(nèi)齒圈在行星傳動(dòng)系統(tǒng)中，與行星架同一軸線的內(nèi)齒輪。內(nèi)齒圈、太陽(yáng)輪、行星輪共同組成齒輪傳遞機(jī)構(gòu)。太陽(yáng)輪所受的嚙合力最大發(fā)生在齒根處，齒輪傳動(dòng)的故障形式：齒面點(diǎn)蝕、齒面膠合、齒面塑形變形、彎曲疲勞與斷齒、齒面磨損。

2.3 行星傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化方法? 針對(duì)行星傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性問(wèn)題，常采用一種是行星架進(jìn)行增大過(guò)渡圓角、加厚側(cè)板等;對(duì)齒輪進(jìn)行齒頂修緣、齒廓修形和齒根修形進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。另外一種是對(duì)行星傳動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)零部件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而得到優(yōu)化后可靠度高的行星傳動(dòng)系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化包括尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)行星架進(jìn)行修正，其中拓?fù)鋬?yōu)化占據(jù)著重要地位。拓?fù)鋬?yōu)化是指一種根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在給定的區(qū)域內(nèi)對(duì)材料分布進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法。主要包括兩個(gè)領(lǐng)域，其中連續(xù)拓?fù)鋬?yōu)化包括：均勻化、變密度、漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、水平集;另外一個(gè)是離散結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化即在結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上采用不同的優(yōu)化算法進(jìn)行求解，最常用的是基于遺傳算法的拓?fù)鋬?yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化離不開(kāi)有限元的參與，即以材料為研究對(duì)象，把其離散成各個(gè)單元，依據(jù)數(shù)學(xué)領(lǐng)域中算法把握每個(gè)單元，直到找到最佳方案。因此，行星減速傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)用有限元進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化以提高其可靠性是主要方法。協(xié)同仿真通過(guò)改變行星傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。協(xié)同仿真是利用商用仿真軟件獲得所需仿真結(jié)果，比較模型進(jìn)行驗(yàn)證分析，適用于比較復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中，即適用于行星減速傳動(dòng)系統(tǒng)。主要方法有兩種：接口的協(xié)同仿真和HLA的協(xié)同仿真。動(dòng)態(tài)可靠性分析將是行星傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，離不開(kāi)動(dòng)力學(xué)理論、齒輪嚙合、軟件耦合，協(xié)同仿真的參與，將各個(gè)理論和動(dòng)力學(xué)軟件相結(jié)合將使行星系統(tǒng)可靠性研究更加準(zhǔn)確化、精確化。

3? 結(jié)論

行星傳動(dòng)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空、醫(yī)療器械等領(lǐng)域，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的效率和經(jīng)濟(jì)性起著至關(guān)重要的作用。具有承載能力強(qiáng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)，但是其可靠性是最難把握和研究的，目前專家學(xué)者對(duì)其的研究已經(jīng)相對(duì)成熟，本文綜述了行星傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性研究現(xiàn)狀、可靠性研究預(yù)測(cè)方法、行星傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性薄弱位置以及可靠性優(yōu)化方法。但是行星傳動(dòng)系統(tǒng)仍然是研究的重點(diǎn)、難點(diǎn)，可靠性研究更是復(fù)雜、需要加強(qiáng)其研究力度，還該對(duì)以下方面進(jìn)行研究、改進(jìn)：

①行星傳動(dòng)系統(tǒng)工作的過(guò)程中會(huì)受到振動(dòng)、噪聲、溫度、光學(xué)的影響，進(jìn)而影響其可靠性及其壽命大小，對(duì)照其影響因素設(shè)計(jì)出傳感器、專家檢測(cè)盒對(duì)其進(jìn)行控制和測(cè)試其工作過(guò)程中的綜合性能及各個(gè)零部件的應(yīng)力大小進(jìn)而預(yù)測(cè)其可靠性。

②行星傳動(dòng)系統(tǒng)中各個(gè)零部件所需新材料的開(kāi)發(fā)，齒輪磨損問(wèn)題、故障診斷技術(shù)、應(yīng)力測(cè)試技術(shù)等研究也應(yīng)該作為可靠性研究的重要方向。

③學(xué)者們對(duì)一級(jí)、二級(jí)行星傳動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)做了充足的研究，并提供大量參考依據(jù)行星系統(tǒng)多級(jí)、復(fù)合傳動(dòng)動(dòng)態(tài)可靠性分析將是研究的可能方向。

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