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    滚柱式超越离合器的可靠性优化设计.pdf

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    滚柱式超越离合器的可靠性优化设计.pdf

    文 章 编 号 100320794 2004 0920002203滚 柱 式 超 越 离 合 器 的 可 靠 性 优 化 设 计胡 福 文 , 贺 云 花 , 戴 葆 青山 东 科 技 大 学 , 山 东 泰 安 271021摘 要 在 保 证 使 用 预 期 可 靠 度 及 其 他 随 机 约 束 概 率 的 条 件 下 ,以 在 规 定 条 件 下 滚 柱 超 越 离合 器 体 积 最 小 为 其 优 化 目 标 函 数 ,建 立 了 滚 柱 超 越 离 合 器 可 靠 优 化 设 计 的 数 学 模 型 。关 键 词 滚 柱 式 超 越 离 合 器 ; 可 靠 度 ; 目 标 函 数 ; 数 学 模 型中 图 号 TH13314 文 献 标 识 码 A1 前 言滚 柱 式 超 越 离 合 器 广 泛 应 用 于 机 床 、 汽 车 、 飞 机等 ,其 工 作 的 可 靠 性 十 分 重 要 。 传 统 的 设 计 方 法 不 能保 证 其 工 作 的 可 靠 性 ,已 难 以 获 得 较 好 的 性 价 比 。 本文 从 其 特 殊 的 结 构 和 原 理 的 角 度 ,以 六 滚 柱 超 越 离 合器 为 例 ,采 用 可 靠 性 优 化 设 计 方 法 进 行 设 计 ,就 有 可能 使 其 工 作 可 靠 性 及 较 高 的 性 价 比 获 得 最 佳 保 障 。2 目 标 函 数 和 设 计 变 量1设 计 变 量 的 确 定滚 柱 式 超 越 离 合 器 的 结 构 形 式 如 图 1 所 示 。 它的 结 构 由 如 下 几 个 参 数 确 定 滚 柱 个 数 z ;滚 柱 长 度L ;滚 柱 的 直 径 d2 ;心 轮 的 直 径 d1 ;外 环 的 工 作 曲 线段 楔 角 α ;外 环 的 外 径 D ;弹 簧 丝 直 径 d3 ;弹 簧 中 径d4 ;外 环 的 最 小 壁 厚 B 。 故 取 设 计 变 量X [ d1 d2 d3 d4 L α B D ]T [ x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 ]T还 是 有 点 小 。 如 果 能 再 把 后 部 空 间 和 过 煤 高 度 提 高一 些 ,效 果 会 更 好 。针 对 用 户 反 复 提 出 的 这 个 问 题 ,郑 州 煤 矿 机 械集 团 有 限 责 任 公 司 高 度 重 视 ,投 入 大 量 科 研 人 员 来研 究 这 个 问 题 。要 想 把 后 部 空 间 加 大 ,就 得 把 α 角 减 小 ,来 提高 后 部 空 间 和 过 煤 高 度 。 但 是 如 α 角 过 小 ,支 架 顶梁 的 后 部 又 容 易 背 煤 ,不 利 于 放 煤 ,整 个 支 架 的 受 力也 会 产 生 较 大 的 变 化 等 一 系 列 问 题 。对 于 α 角 减 小 所 引 起 的 一 系 列 问 题 ,郑 州 煤 矿机 械 集 团 有 限 责 任 公 司 ,通 过 计 算 机 三 维 力 学 模 型对 液 压 支 架 的 运 动 状 态 和 受 力 进 行 了 综 合 分 析 研究 ,对 顶 梁 后 部 与 水 平 线 的 夹 角 α 作 了 进 一 步 的 改进 ,由 32 改 为 29 ,把 与 水 平 线 的 夹 角 减 小 3 ,使 α角 更 加 合 理 。改 进 以 后 ,后 部 的 放 煤 高 度 就 增 大 了 L sin32- sin29 ,改 进 后 的 支 架 ,首 先 用 在 山 西 省 凌 志 达 公司 色 头 矿 。 色 头 矿 支 架 长 度 为 2 370 mm ,与 以 前 结构 相 比 ,改 进 后 支 架 后 部 过 煤 高 度 提 高 2 370 sin32 - sin29 107 mm ,效 果 相 当 明 显 。 支 架 在矿 上 使 用 之 后 ,支 架 后 部 空 间 变 大 ,过 煤 高 度 高 ,得到 了 用 户 的 好 评 。 实 践 证 明 ,这 次 改 进 是 合 理 的 。5 结 语通 过 对 轻 型 放 顶 煤 液 压 支 架 顶 梁 结 构 特 点 和 顶梁 结 构 设 计 的 探 讨 ,说 明 了 合 理 的 结 构 设 计 对 液 压支 架 的 重 要 性 。 随 着 放 顶 煤 综 采 技 术 的 进 一 步 发展 ,液 压 支 架 各 结 构 件 的 结 构 设 计 将 会 更 加 科 学 合理 。参 考 文 献 \[1 \]王 国 法 . 液 压 支 架 技 术 \[M\] .北 京 煤 炭 科 学 技 术 出 版 社 ,1999.\[2 \]杨 振 复 ,罗 恩 波 . 放 顶 煤 开 采 技 术 与 放 顶 煤 液 压 支 架 \[ M\] .北 京 煤 炭 科 学 技 术 出 版 社 ,1995.\[3 \]丁 绍 南 . 液 压 支 架 设 计 \[M\] .北 京 世 界 图 书 出 版 社 ,1992.作 者 简 介 桑 冲 峰 1978 - ,河 南 开 封 人 ,助 理 工 程 师 ,1999 年毕 业 于 西 安 交 通 大 学 机 械 工 程 学 院 机 械 设 计 及 制 造 专 业 ,现 在 郑 州煤 矿 机 械 集 团 有 限 责 任 公 司 研 究 所 从 事 支 架 设 计 工 作 . Tel 0371 -7891188 ,E-mail scf2003 sohu. com.收 稿 日 期 2004206222Light type caving coal hydraulic support structural characteristicand discussion on canopy structural designSANG Chong-feng1 , GAO Wei1 ,DONG Ying- hui211Zhengzhou Mining Machinery Group Limited Company ,Zhengzhou 450007 ,China ;2. Pingdingshan Coal Mine Machinery Factory ,Pingdingshan 467001 ,ChinaAbstract The paper introduces light type caving coal hydraulic support structural characteristic ,and discusses furtherlight type caving coal hydraulic support canopy structural design ,then puts forward light type caving coal hydraulic sup2port canopy structural design rules. According to the rules and science analysis calculation ,combining practice experi2ence ,it draws a reasonable conclusion.Key words hydraulic support ; canopy ; light type caving coal hydraulic support ; structural characteristic ; structural de2sign2 煤 矿 机 械 2004 年 第 9 期 图 1 滚 柱 式 超 越 离 合 器 结 构 图Fig. 1 The structure diagram of overrunning roller clutch11 滚 子 21 弹 簧 31 外 环 41 心 轮2目 标 函 数滚 柱 式 超 越 离 合 器 在 一 般 情 况 下 有 体 积 要 求 ,故 在 此 取 在 规 定 的 条 件 下 其 体 积 最 小 为 其 优 化 目 标函 数 ,表 达 式 为min F X V1 V2 V3 V4式 中 V1 滚 柱 的 体 积 ,V1 zπ x22 x54 ;V2 心 轮 的 体 积 ,V2 π x21 - 182 x5 - 44 ;V3 弹 簧 的 体 积 ,V3 zn1 x23π2 x44 ;V4 外 环 的 体 积 ,V4 π x28 - D′2 x5 - 44 ;n1 弹 簧 的 总 圈 数 ;D′ 计 算 外 环 体 积 时 的 近 似 内 径 ,D′ 2[ x12 x2 1 -π tan x6270 α π x12 x2 tan x6540 ] ;α 工 作 曲 线 段 的 对 应 圆 心 角 ,对 六 滚 柱超 越 离 合 器 α 25 。3 约 束 函 数1滚 柱 式 超 越 离 合 器 的 可 靠 度 约 束根 据 设 计 要 求 ,滚 柱 式 超 越 离 合 器 的 整 体 可 靠度 RS 应 大 于 设 计 要 求 的 可 靠 度 R 3S ,可 靠 度 约 束 为RS - R 3S ≥ 02滚 柱 的 自 由 楔 紧 和 解 楔 条 件 约 束自 楔 条 件 为α ≤ ρ c - ρ X维 持 楔 紧 及 自 动 楔 紧 条 件 为- ρ c - ρ X ≤ α ≤ 2ρ c式 中 ρ c 材 料 的 滑 动 摩 擦 系 数 ;ρ X 材 料 的 滚 动 摩 擦 系 数 。综 合 可 知 滚 柱 式 超 越 离 合 器 的 楔 角 在 0 ≤ α ≤ρ c - ρ X 之 间 变 化 时 ,才 能 够 正 常 工 作 ,保 证 滚 柱 的自 楔 和 解 楔 。一 般 地 ,滚 柱 材 料 多 用 Cr15 或 20Cr ,并 处 理 使接 触 面 达 HRC60~ 64。 此 时 ,ρ c ≈ 01135~ 0115 ,ρ X≈ 0101 ;当 使 用 润 滑 脂 时 ,ρ c ≈ 01075 ~ 0111 ,ρ X≈ 01001。 综 合 以 上 2 种 情 况 ,楔 角 α 的 最 大 值α max 6 55′ ~ 7 55′ 无 润 滑 脂 α max 5 30′ ~ 6 30′ 有 润 滑 脂 为 了 确 保 滚 柱 能 够 自 楔 和 自 行 解 楔 在 此 取[α \] 6 ,即α ≤ [α \] 01104 719 7 rad另 一 方 面 当 楔 角 α 较 小 时 ,自 楔 较 易 但 解 楔 较困 难 ,而 且 α 较 小 时 滚 柱 式 超 越 离 合 器 的 承 载 能 力较 低 、 功 耗 增 大 ,因 此 楔 角 又 不 能 太 小 ,由 此 给 出 下限 取 值 要 求 ,取 [α ]min 3 ,即α ≥ [α ]min 01052 407 7 rad3滚 柱 式 超 越 离 合 器 的 外 廓 尺 寸 限 制 约 束为 保 证 所 设 计 的 滚 柱 式 超 越 离 合 器 能 够 符 合 实际 要 求 ,其 外 廓 尺 寸 不 能 超 过 装 配 空 间 的 尺 寸 限 制 ,即D ≤ 58 mm4外 环 的 壁 厚 要 求 约 束滚 柱 式 超 越 离 合 器 工 作 时 ,外 环 承 受 拉 伸 应 力 ,其 应 力 值 的 大 小 随 着 壁 厚 的 增 加 而 减 小 ,为 保 证 其最 低 强 度 要 求 ,取Β ≥ 5. 5 mm5心 轮 的 直 径 要 求 约 束心 轮 的 结 构 形 状 如 图 2 所 示 。 为 实 现 扭 矩 的 传递 ,心 轮 中 心 需 要 加 工 一 内 径 为 的 内 孔 。 为 了 保证 心 轮 的 承 载 能 力 和 心 轮 表 面 磨 削 加 工 要 求 ,取d1 ≥ 12 mm若 取 18 mm ,则 上 式 变 为d1 ≥ 30 mm图 2 心 轮 的 结 构Fig. 2 The structure of centric wheel6滚 柱 尺 寸 的 约 束滚 柱 的 尺 寸 必 须 参 照 国 家 颁 布 的 有 关 标 准 选取 ,考 虑 到 滚 柱 式 超 越 离 合 器 的 尺 寸 限 制 ,其 尺 寸 取值 范 围 为10 mm ≤ L ≤ 15 mm6 mm ≤ d2 ≤ 8 mm7弹 簧 的 约 束 条 件对 弹 簧 直 径 d3 和 弹 簧 中 径 d4 ,根 据 滚 柱 式 超越 离 合 器 的 内 部 空 间 限 制 ,取3 2004 年 第 9 期 滚 柱 式 超 越 离 合 器 的 可 靠 性 优 化 设 计 胡 福 文 ,等 0145 mm ≤ d3 ≤ 0170 mmd4 ≥ 3. 0 mm另 外 弹 簧 的 大 小 要 保 证 能 够 装 入 滚 柱 式 超 越 离合 器 内 ,即d2 - d4 - d3 - 2. 0 ≥ 0弹 簧 的 旋 绕 比 及 稳 定 性 要 求 为d4d3 - 6. 0 ≥ 0Ta n1 1. 5 d3d4 - 3. 7 ≤ 0式 中 Ta 弹 簧 的 节 距 ;n1 弹 簧 的 总 圈 数 。综 上 所 述 ,滚 柱 式 超 越 离 合 器 的 约 束 条 件 用 设计 变 量 表 达 为g1 x RS - R 3S ≥ 0g2 x 0. 104 719 7 - x6 ≥ 0g3 x x6 - 0. 052 407 7 ≥ 0g4 x x2 - 6. 0 ≥ 0g5 x 8. 0 - x2 ≥ 0g6 x x3 - 0. 45 ≥ 0g7 x 0. 7 - x3 ≥ 0g8 x x4x3- 6. 0 ≥ 0g9 x x2 - x4 - x3 - 2. 0 ≥ 0g10 x x4 - 3. 0 ≥ 0g11 x x5 - 10. 0 ≥ 0g12 x 15. 0 - x5 ≥ 0g13 x x1 - 30 ≥ 0g14 x 3. 7 - Ta n1 1. 5 x3x4≥ 0g15 x x7 - 5. 50 ≥ 0g16 x 8. 0 - x7 ≥ 0g17 x 58. 0 - x8 ≥ 0g18 x x8 - x1 - 2 x2 - 2 x7 ≥ 04 设 计 变 量 标 准 差 的 确 定机 械 零 件 的 尺 寸 误 差 要 求 应 根 据 使 用 设 计 确定 ,其 尺 寸 基 本 上 是 服 从 正 态 分 布 的 。 在 此 参 照 文献 [1 ]中 滚 柱 式 超 越 离 合 器 各 零 件 的 精 度 等 级 要 求及 正 态 分 布 的 “ 3σ ” 法 则 ,选 取 各 设 计 变 量 的 标 准 差σ x1 Δ x16 010396 0. 006 5 mmσ x2 Δ x26 010156 0. 002 5 mmσ x3 Δ x36 010426 0. 007 mmσ x4 Δ x46 0146 0. 067 mmσ x5 Δ x56 01126 0. 02 mmσ x6 Δ x66 01004 366 0. 000 727 mmσ x7 Δ x76 01126 0. 02 mmσ x8 Δ x86 01216 0. 035 mm5 最 优 解 中 离 散 变 量 的 处 理在 滚 柱 式 超 越 离 合 器 可 靠 性 优 化 设 计 的 设 计 变量 中 , x2 和 x5 是 离 散 变 量 ,首 先 在 可 靠 性 优 化 设 计中 作 连 续 变 量 处 理 。 如 果 求 得 最 优 解 X 3 中 的 x2和 x5 数 值 不 是 离 散 点 上 的 数 值 ,则 要 求 按 优 化 原 理进 行 圆 整 ,采 用 pappas 法 减 少 圆 整 后 的 可 靠 性 变动 ,同 时 确 保 所 有 约 束 条 件 得 到 满 足 。基 本 思 想 是 先 将 连 续 最 优 解 X 3 圆 整 到 最 近 的一 个 离 散 点 X 上 ,然 后 将 X 中 的 离 散 分 量 的 值 保 持不 变 ,而 将 其 余 的 连 续 分 量 进 行 优 化 ,得 到 新 点 ,若新 点 可 行 且 满 意 由 收 敛 性 准 则 决 定 则 停 止 。 否 则移 到 其 他 的 离 散 点 X 上 ,同 时 固 定 离 散 分 量 将 其 余连 续 分 量 进 行 优 化 ,直 到 得 到 可 行 而 又 较 好 的 解 。参 考 文 献 \[1 \]成 大 先 . 机 械 设 计 手 册 第 3 卷 \[ M\] .北 京 化 学 工 业 出 版 社 ,1993.\[2 \]刘 惟 信 . 机 械 可 靠 性 设 计 \[M\] .北 京 清 华 大 学 出 版 社 ,1996.\[3 \]吴 波 ,等 . 机 械 零 件 与 系 统 可 靠 性 模 型 \[M\] .北 京 化 学 工 业 出 版社 ,2003.\[4 \]黄 乾 贵 ,张 艳 . 圆 柱 齿 轮 传 动 模 糊 可 靠 性 优 化 设 计 \[J \] .煤 矿 机 械 ,1997 , 1 9 - 12.作 者 简 介 胡 福 文 1980 - ,山 东 成 武 人 ,2002 年 毕 业 于 焦 作 工学 院 机 械 设 计 制 造 专 业 ,公 开 发 表 论 文 多 篇 ,现 主 要 从 事 机 械 设 计 的研 究 和 教 学 . Tel 0538 - 8496242 ,E-mail hufuwen tom. com.收 稿 日 期 2004203225Reliabilty optimum design of overrunning roller clutchHU Fu- wen , HE Yun- hua , DAI Bao- qingShandong University of Science and Technology , Tai’ an 271021 ,ChinaAbstract To ensure expectation reliability and random constraint probability ,the mathematical model of the overrunningroller clutch was established for optimum design with the aim that the volume of the overrunning roller clutch be mini2mum. As a example ,the overrunning six - roller clutch was showed in this paper.Key words overrunning roller clutch ; reliability ; objective function ; mathematical model4 滚 柱 式 超 越 离 合 器 的 可 靠 性 优 化 设 计 胡 福 文 ,等 2004 年 第 9 期

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