李一鳴，叢丹(大連橡膠塑料機械有限公司，遼寧 116300)

基于有限元法對單螺桿擠出機減速箱箱體強度分析

Strength analysis of the reduction box of single screw extruder based on fi nite element method

李一鳴，叢丹(大連橡膠塑料機械有限公司，遼寧 116300)

主要利用有限元法對單螺桿擠出機減速箱箱體進行強度分析，并根據(jù)計算結(jié)果對箱體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，為擠出機減速箱箱體的優(yōu)化設(shè)計提供一種有效方法。

最大拉應(yīng)力；總變形；bearing load；ANSYS workbench

單螺桿擠出機組是橡塑制品廠的重要設(shè)備，主要用于原料的混煉、塑化及擠出。單螺桿擠出機工作時，機頭壓力很大，一般動載荷在20 MPa左右，有的甚至高達40 MPa，這對傳動裝置—減速箱的推力軸承的設(shè)計與布局提出很高要求，尤其是減速箱箱體上安裝推力軸承部位的強度設(shè)計與計算。在傳統(tǒng)的機械設(shè)計手冊中只給出理論的箱體壁厚和結(jié)構(gòu)，無法進行精確的強度與剛度計算，本文應(yīng)用有限元法，對減速箱箱體進行強度分析，并根據(jù)計算結(jié)果對箱體的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

本文以φ180機組的單螺桿擠出機減速箱為例，利用有限元法對其箱體進行強度分析。主要技術(shù)參數(shù)是螺桿輸出扭矩63 000 N.m，螺桿轉(zhuǎn)速50 r/min，機頭負載壓力40 MPa。

1 分析條件

箱體材料 QT450-10

彈性模量 E=147 GPa

泊松比 Pi=0.25

2 模型簡化

在I-DEAS V5下完成減速箱造型，輸出為parasolid格式，如圖1所示。

圖1 減速箱三維造型圖

3 網(wǎng)格劃分與邊界條件

在ANSYS workbench中調(diào)入parasolid格式的減速箱模型，劃分的網(wǎng)格如圖2所示。

根據(jù)齒輪參數(shù)計算報告和有關(guān)圖紙，得到各級齒輪徑向力(x)、切向力(y)、軸向力(z)，得到各級受力數(shù)據(jù)及齒輪受力數(shù)據(jù)如表1及表2所示，對4根軸分別進行有限元靜力分析，得到各軸的軸承支反力如表3(第4軸計算時加入了機頭壓力引起的軸向力)，其反力即是軸承座受力，見表4，各軸軸向力是每級兩個z向力的和。

圖2 減速箱網(wǎng)格劃分圖

表1 擠出機減速箱各級受力

表2 擠出機減速箱各齒輪受力

表3 擠出機減速箱各軸承座支反力

表4 擠出機減速箱各軸承座受力

固定減速箱底面，在減速箱各軸承座分別施加表4中的x、y載荷，在序2、4處端蓋接觸面分別施加I軸和II軸軸向力，在序6處軸承座端面施加III軸軸向力，在序8處大止推軸承端面施加IV軸軸向力。邊界條件施加如圖3所示。（由于軟件限制，左側(cè)只能顯示出10個邊界條件，其余的數(shù)值詳見表4）。

圖3 減速箱邊界條件施加

4 求解

定義材料參數(shù)，進入ANSYS中利用常規(guī)求解器進行求解。

5 結(jié)果分析

減速箱的最大主應(yīng)力如圖4、圖5及圖6所示，最大主應(yīng)力值為113.99 MPa，出現(xiàn)在圖中Max位置，其他各極大值位置如圖中所標。（圖4為正面，圖5為背面箱蓋圖，圖6為箱底圖）

圖4 減速箱最大主應(yīng)力圖

減速箱的變形如圖7所示，最大變形出現(xiàn)在圖中Max位置，最大變形值為0.567 1 mm。

6 結(jié)論

圖5 減速箱最大主應(yīng)力圖（箱蓋剖開）

（1）根據(jù)GB/T1348—2009球墨鑄鐵件QT450-10的力學(xué)性能——抗拉強度:σb(MPa)≥450，屈服強度 σ0.2(MPa)≥250，沖擊韌性值 αkv (J/cm2)≥18，硬度 :130～180 HBS。減速箱的最大主應(yīng)力如上圖4、圖5及圖6所示，最大主應(yīng)力值為113.99 MPa，出現(xiàn)在圖中Max位置，其它各極大值位置如圖中所標。應(yīng)力最大處的安全系數(shù)S1=250/113.99=2.2，滿足箱體的強度設(shè)計要求，設(shè)計箱體時對其圓角處理并加強強度；推力軸承座S2=250/99.027=2.5。減速箱的變形如圖7所示，最大變形出現(xiàn)在圖中Max位置，最大變形值為0.567 1 mm。設(shè)計過程中增加箱蓋上軸承座壁厚及最大變形值處增加筋板等結(jié)構(gòu)，通過修改、優(yōu)化，使箱體所受到的最大變形值降低到0.40 mm，減速箱的最大變形符合要求。

圖7 減速箱變形圖（正面）

（2）通過有限元ANSYS分析軟件能夠直接準確的計算減速器箱體的強度和剛度的最大主應(yīng)力值和最大變形值?？梢远啻涡薷?、優(yōu)化后重新計算，并進行分析比較，得到理想的優(yōu)化數(shù)據(jù)，再對箱體的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，因此有限元法為單螺桿擠出機減速箱箱體的設(shè)計提供了一種有效的計算工具。

（R-03）

TQ320.663

1009-797X(2016)16-0089-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.16.025

李一鳴，男，助理工程師，主要從事傳動裝置的設(shè)計與研發(fā)工作。

2016-03-17