東偉

摘 要：利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對車載鉆機(jī)ATB260角齒輪傳動(dòng)箱進(jìn)行模態(tài)分析，將仿真所得到的固有頻率與箱體主要激勵(lì)頻率比較，得到箱體不會(huì)發(fā)生共振的結(jié)論，通過其振型觀察到箱體動(dòng)力學(xué)特性的薄弱部位，為后續(xù)該類箱體的研究與改進(jìn)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：ATB260；ANSYS Workbench；模態(tài)分析

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2016.33.192

0 引言

減速器箱體的傳統(tǒng)類比、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)往往在強(qiáng)度、剛度等靜力學(xué)特性方面給予很好的保證，但是在其工作運(yùn)轉(zhuǎn)中的動(dòng)力學(xué)特性不能有很好的預(yù)測。減速器箱體是一個(gè)彈性系統(tǒng)，當(dāng)受到外界激勵(lì)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象，那么在齒輪傳動(dòng)的過程中齒輪嚙合接觸瞬間會(huì)產(chǎn)生沖擊，這個(gè)沖擊最終會(huì)通過軸及軸承傳遞到箱體上，從而引起箱體的振動(dòng)，箱體振動(dòng)反過來又會(huì)作用到軸和齒輪上，影響齒輪的對中性及齒輪嚙合精度，齒輪嚙合過程中嚴(yán)重受力不均，將加速齒輪的磨損。當(dāng)齒輪的嚙合頻率若是等同或者接近箱體的固有頻率時(shí)，整個(gè)減速器箱體就會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，使整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)更加嚴(yán)重，同時(shí)也將產(chǎn)生很大的噪音，加速系統(tǒng)的疲勞損害，大大減小齒輪箱的壽命，甚至造成重大事故，影響工作生產(chǎn)，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

1 箱體的振源分析與計(jì)算

減速器在正常工作過程中，振動(dòng)激勵(lì)可能來至于底座固定不緊、螺栓松動(dòng)，傳動(dòng)部件制造精度不良、部件相對位置裝配不當(dāng)?shù)热藶榭刂埔蛩兀瞧渲饕駝?dòng)激勵(lì)一般來自于無法回避的齒輪嚙合接觸瞬間沖擊，已知該減速器最大輸入轉(zhuǎn)速為n1=1350r/min，主動(dòng)齒輪齒數(shù)z1=26，則該減速器齒輪嚙合頻率為：

f=n1×z160=n2×z260=585Hz

此嚙合頻率將成為減速器存在的主要共振激勵(lì)隱患。

2 箱體模態(tài)分析

2.1 實(shí)體模型的建立及網(wǎng)格劃分

本文利用三維建模軟件SolidWorks對箱體進(jìn)行實(shí)體建模，并將對后續(xù)仿真分析精度影響不大，但是嚴(yán)重影響分析計(jì)算速度的螺栓孔、倒角、窺視孔等局部小特征進(jìn)行了簡化；為了便于仿真分析的實(shí)施，將上下箱體合并成一個(gè)獨(dú)立的實(shí)體零件，然后將零件導(dǎo)入到ANSYS Workbench軟件中進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，該箱體結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，網(wǎng)格單元適合選用對復(fù)雜結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)的4節(jié)點(diǎn)四面體單元，對于這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)，通過比較分析，最適合采用Solid187單元類型，單元尺寸控制在約5mm以內(nèi)。該減速器箱體材料屬性如表1所示。

2.2 邊界條件的確定及模態(tài)分析

鑒于本減速器安裝的狀況，為了使箱體分析結(jié)果接近實(shí)際工況，這里將對箱體下底面進(jìn)行全約束。箱體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性一般主要由其低階模態(tài)所決定，這里選擇箱體結(jié)構(gòu)的前4階分析結(jié)果進(jìn)行研究。在ANSYS Workbench提供了7種不同的模態(tài)提取方法中，選擇適合本箱體特征的Block lanczos（分塊蘭索斯法）進(jìn)行求解。分析得到了前4階箱體模態(tài)仿真結(jié)果如下圖1所示，前4階振型特征描述如下表1所示。

2.3 結(jié)果分析

由振動(dòng)穩(wěn)定性的判斷準(zhǔn)則可知，防止箱體發(fā)生共振現(xiàn)象應(yīng)使箱體的固有頻率和齒輪嚙合頻率錯(cuò)開。這里假設(shè)箱體的固有頻率為fr，激振源（齒輪的嚙合頻率）為f，那么一般應(yīng)滿足f<0.85fr或f>1.15fr；由上述計(jì)算與仿真結(jié)果知f=585Hz，fr主要處于210～420Hz之間，滿足上述條件，該齒輪箱體將不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。

3 結(jié)論

由上述激勵(lì)振源的激勵(lì)頻率與仿真結(jié)果得到的箱體固有頻率相比較得知，ATB260減速器箱體不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。觀察振型圖可知該箱體主要表現(xiàn)為局部的彎曲振動(dòng)，其中箱體中間錐齒輪的輸入端軸承座及上箱蓋為主要的變形部位，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)，尤其是中間錐齒輪的輸入端軸承座部位，變形將直接影響齒輪的傳動(dòng)的穩(wěn)定性，該軸承座上端由于結(jié)構(gòu)限制處于懸空狀態(tài)對振動(dòng)的抵抗較弱，因此該部位應(yīng)該引起重視，可考慮加厚或者在兩側(cè)增加肋板的方式增強(qiáng)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1]張晉偉.4125A型柴油機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)有限元?jiǎng)恿Ψ治鯷D].西安：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2009.

[2]劉宏梅.大功率礦用減速箱體優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2006.

[3]尹躍峰.新型盤輥破碎機(jī)的研制及其關(guān)鍵部件特性研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2013.

[4]Pietro Salvini，F(xiàn)rancesco Vivio.Dynamic reduction strategies to extendmodal analysis approach at higher frequencies[J].Finite Elements in Analysisand Design，2007，（43）：931-940.