摘 要:结合现代铁道机车车辆的实际情况,介绍了一种机车减速器的设计方法,通过该方法,可以使机车减速器的体积和重量均减少,同时优化了减速器的性能和结构,并且提高了铁道机车减速器的可靠度,提高经济效益。

关键词:机车减速器可靠度优化设计Matlab

中图分类号:T-19文献标识码:A文章编号:1007-0916(2010)09-0092-01

1 引言

随着社会的进步,运输对车辆的要求越来越高,车辆上的各种装备也越来越多,因此车辆的自重也越来越大。在同样列车重量下所运的旅客和货物就越少,从而增加运输成本和制造成本。因此在车辆设计和制造时应采用新材料、新工艺、新结构来降低车辆自重,以提高运输效率。当机车车辆为空车时,车辆自身具备的质量称为车辆的自重。即车体和转向架本身结构以及附于其上的所有固定设备和附件质量之和。在保证车辆具有足够的强度、刚度情况下,车辆的自重越小越经济[1,2]。

本文介绍的这种方法,是把机械优化设计思想贯穿于可靠性设计中,把强度及可靠度等参数作为优化设计中的约束,使铁道机车减速器结构和性能达到最优为目标。

2 XG45-9/540机车车轴减速器简述

本文以兰州交通大学测控研究所研制的XG45-9/540机车车轴减速器作为设计对象,XG45-9/540机车车轴减速器是机车整个驱动机构的最后环节,其作用是将万向轴的功率通过90°方向的改变传给机车轮对。

XG45-9/540机车车轴减速器是两级车轴减速器,它是由一对螺旋伞齿轮和一对圆柱齿轮构成,动力传递是先伞齿轮后圆柱齿轮,其特点是齿轮转速高,扭矩小,有利于提高伞齿轮的寿命,这种布置还可以减小伞齿轮受到来自车轮与钢轨的冲击影响,但结构复杂。

XG45-9/540机车车轴减速器,输入转速为7382r/min,输入功率为110kw,总速比21.375,高速级齿轮为螺旋伞齿轮,材料为20CrMnTi,经渗碳淬火后齿面硬度为HRC59～68,低速级为圆柱直齿轮,材料为22CrMnMo,经渗碳淬火后齿面硬度为HRC52～55。

3 建立XG45-9/540机车车轴减速器数学模型

3.1 设计变量的确定

一般地,减速器的所有影响设计质量的独立设计参数,如齿轮的齿数、模数、螺旋角、齿宽和变位系数以及各级中心距等结构尺寸都应作为设计变量。但过多的设计变量会增加计算的工作量和难度,通常将那些对优化目标影响比较明显的、易于控制的设计参数才作为设计变量。虽然齿轮的材料性能也能影响减速器的体积、尺寸及其成本,但不作为设计变量,而作为常量来处理,综合考虑各种因素的影响,在优化数学模型中,将减速器的法面模数、齿数、齿宽、齿宽系数、螺旋角、以及分锥角作为优化模型的设计变量。

3.2 目标函数的确定

目标函数是设计变量的函数,是评价设计优劣的数学表达式,由于减速器内部主要部件是齿轮,且相对于其他零部件,它的占用空间较大,为此通过对内部空间的优化,使减速器箱体体积最小。

3.3 确定约束条件

一般在汽车和机车工业用的螺旋伞齿轮Zmin=6,而Z1+Z2≥35[4,5],在圆柱直齿轮中,由不根切和齿顶不过薄的限制条件,可知在变位系数x=-0.4时,可取Zmin=12,Zmax=60[4,5],

对于传递动力的齿轮,模数不应该小于1.5[4,5],即mt≥1.5,而对于低速传动的齿轮mmin=2,mmax=14,当HB≤350,且齿轮传动位于低速级时,Φmin=0.6,Φmax=1.2,作为螺旋伞齿轮位于高速级传动时,可知Φmin=1/4,Φmax=1/3[4,5]。

为使传动平稳,承载能力较大而轴向力又不过大,中点螺旋角应限制为βmin≤βm≤βmax,对于等高齿的螺旋角要求βmin=10°,βmax=35°[4,5]。

为了保证螺旋伞齿轮工作的平稳性,齿线重合度βm不应该小于1.25[4,5],而圆柱直齿轮的重合度可根据压力角进行约束。

在约束条件中,由于把系统可靠度的值约束在0.99,故螺旋伞齿轮和圆柱直齿轮的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度的可靠度应均大于0.99。

4 基于MATLAB进行可靠度优化设计计算

(1)编写Matlab程序。本文采用MATLAB优化工具箱的SQP法计算,可直接调用fmincon函数[6,7](2)输出结果。当减速器系统完成的循环次数为53874转时,原设计的可靠度达到91%,通过可靠性优化设计后,可靠度达到99%。

5 结语

(1)原设计在规定时间内,系统可靠度偏低,通过分析可靠度只有0.91,通过可靠性优化设计后,减速器在规定时间内运行时,其可靠度可以达到99%。(2)通过可靠性优化设计,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,显示了可靠性优化设计的效益。(3)对多变量的优化设计,根据其设计变量对目标函数的影响进行降维处理,并运用MATLAB进行优化计算,节省计算时间。实践证明这是一种有效的办法。(4)本文将理论和实际工程紧密的相结合,为铁道车辆减速器的设计提供了有力的参考,并对减速器的可靠度和结构的优化提高了有效地设计方法。

参考文献

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