蔣晶 王永 潘軍遠(yuǎn) 郭鋼 史文杰 黃紅濤

（鄭州機(jī)械研究所，河南 鄭州 450052）

基于Simulation的齒輪軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化

蔣晶 王永 潘軍遠(yuǎn) 郭鋼 史文杰 黃紅濤

（鄭州機(jī)械研究所，河南 鄭州 450052）

分析某橋式起重機(jī)大車運(yùn)行減速器齒輪軸的斷裂原因，利用Solidworks Simulation軟件對斷裂齒輪軸建立有限元模型，在對其進(jìn)行靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改善齒輪軸的受力狀態(tài)，避免事故狀態(tài)再次發(fā)生。

Simulation；齒輪軸；有限元；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

橋式起重機(jī)是企業(yè)中最常用的吊裝運(yùn)輸裝備，直接影響到車間生產(chǎn)、設(shè)備檢修、貨物運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)的正常完成。由于橋式起重機(jī)工作時(shí)間長、操作頻繁、工況惡劣，經(jīng)常在重載下進(jìn)行起動(dòng)、制動(dòng)、變速等操作，對傳動(dòng)齒輪軸的沖擊很大，容易導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，造成斷軸事故發(fā)生［1］［2］。文中對斷裂齒輪軸進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析，并根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終比較兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，為齒輪軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)合理的理論依據(jù)。

減速器齒輪軸的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示，齒輪軸轉(zhuǎn)速n= 147.98r/min，傳遞功率P=40kW，材料為42CrMo，調(diào)質(zhì)處理HB269～302，齒輪相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖1 齒輪軸結(jié)構(gòu)尺寸圖

表1 齒輪相關(guān)參數(shù)表

1 齒輪軸的有限元分析

1.1 建立三維模型

利用Solidworks創(chuàng)建齒輪軸的三維模型，如圖2所示；定義其基本屬性：彈性模量為206GPa，泊松比為0.29，質(zhì)量密度為7.85g/cm3，屈服極限為600MPa。

圖2 齒輪軸三維模型圖

圖3 齒輪軸網(wǎng)格劃分圖

1.2 確定邊界條件以及施加載荷

在軸承安裝位置添加軸承支撐約束，使齒輪軸只能繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，不能移動(dòng)。對齒輪軸施加載荷，軸齒1載荷直接施加到工作齒面上，輪齒2載荷則按齒輪寬度中心的分度圓頂端沿坐標(biāo)系方向分別施加圓周力、徑向力和軸向力。

1.3 劃分網(wǎng)格

采用Solidworks Simulation默認(rèn)的二階四面體網(wǎng)格單元對齒輪軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對應(yīng)力較集中的區(qū)域采取網(wǎng)格控制細(xì)化網(wǎng)格單元，如圖3所示。

1.4 結(jié)果分析

圖4、圖5、圖6、圖7分別是齒輪軸的Von Mises應(yīng)力、合位移、等量應(yīng)變、安全系數(shù)分布圖，結(jié)果顯示：齒輪軸的最大應(yīng)力為540.6MPa，分布在靠近軸齒的軸肩過渡位置，安全系數(shù)僅為1.11，與實(shí)物的斷裂源位置相符；齒輪軸的最大位移量為0.292mm，主要集中在工作齒的邊緣區(qū)域。

圖4 齒輪軸應(yīng)力分布圖

圖5 齒輪軸合位移分布圖

圖6 齒輪軸等量應(yīng)變分布圖

圖7 齒輪軸安全系數(shù)分布圖

2 齒輪軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 建立三維模型

依據(jù)以上分析結(jié)果，對齒輪軸上應(yīng)力集中較大的位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將齒和軸分離開，增加軸肩過渡圓弧、各臺階圓角等，建立改進(jìn)軸三維模型，如圖8所示。

圖8 改進(jìn)軸三維模型圖

圖9 改進(jìn)軸網(wǎng)格劃分圖

2.2 確定邊界條件以及施加載荷

同樣在軸承安裝位置添加軸承支撐約束，使改進(jìn)軸只能繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，不能移動(dòng)。對改進(jìn)軸施加載荷，輪齒1和輪齒2載荷均按齒輪寬度中心的分度圓頂端沿坐標(biāo)系方向施加圓周力、徑向力和軸向力。

2.3 劃分網(wǎng)格

采用Solidworks Simulation默認(rèn)的二階四面體網(wǎng)格單元對改進(jìn)軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對應(yīng)力較集中的區(qū)域采取網(wǎng)格控制細(xì)化網(wǎng)格單元，如圖9所示。

2.4 結(jié)果分析

圖10、圖11、圖12、圖13分別是改進(jìn)軸的Von Mises應(yīng)力、合位移、等量應(yīng)變、安全系數(shù)分布圖，結(jié)果顯示：改進(jìn)軸的最大應(yīng)力為351.3MPa，安全系數(shù)為1.71，最大位移量為0.203mm，分布在左端鍵槽的軸肩過渡位置。

圖10 改進(jìn)軸應(yīng)力分布圖

圖11 改進(jìn)軸合位移分布圖

圖12 改進(jìn)軸等量應(yīng)變分布圖

圖13 改進(jìn)軸安全系數(shù)分布圖

3 結(jié)論

本文通過對齒輪軸和改進(jìn)軸進(jìn)行靜力學(xué)有限元對比分析，從以上圖表可以看出改進(jìn)軸的最大應(yīng)力值降低到351.3MPa，最大位移量減小為0.203mm，安全系數(shù)提升到1.71，完全滿足軸的靜強(qiáng)度要求［3］。所以當(dāng)齒輪軸齒部過大時(shí)，可以通過齒軸分離，同時(shí)考慮增加軸肩過渡圓弧及各臺階圓角等措施來提升該傳動(dòng)軸的靜強(qiáng)度，以保證傳動(dòng)軸的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，避免斷軸事故發(fā)生。

［1］ GB6067-2010，起重機(jī)械安全規(guī)程［S］.

［2］ GB3811-2008，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］ 成大先等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

U463.2

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1003-5168（2015）11-031-02