劉曉雯，彭 帥，卜 勻

（1.唐山學(xué)院機(jī)電工程系，河北唐山063000；2.唐山愛信齒輪有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部，河北唐山063000）

板帶冷軋機(jī)主減速器設(shè)計(jì)及殼體有限元分析

劉曉雯1，彭 帥2，卜 勻1

（1.唐山學(xué)院機(jī)電工程系，河北唐山063000；2.唐山愛信齒輪有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部，河北唐山063000）

通過板帶軋機(jī)的工作參數(shù)，選取了主減速器的傳動(dòng)方案及對(duì)主要零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，利用三維軟件完成了殼體的三維造型，并利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)減速器殼體進(jìn)行靜力分析，得出了殼體整體變形情況。

板帶冷軋機(jī)；主減速器殼體；有限元分析；靜力分析

0 引言

軋機(jī)是軋制生產(chǎn)線上的重要單體設(shè)備，而減速器是軋機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分。隨著軋制速度和強(qiáng)度的不斷提高，軋機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)異常扭振失穩(wěn)現(xiàn)象，造成軋機(jī)部件疲勞損傷、使用壽命降低，進(jìn)而影響軋制產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。因此作為軋機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，減速器的設(shè)計(jì)尤為重要［1］，對(duì)改善軋機(jī)的性能與使用壽命具有重大的意義。本文針對(duì)減速器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并以減速器的殼體為主要研究對(duì)象，利用三維軟件為殼體進(jìn)行三維建模，并利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)殼體三維模型進(jìn)行靜力分析，考察殼體整體的受力變形情況。

1 減速器的設(shè)計(jì)

1.1 傳動(dòng)方案的分析與擬定［2］

傳動(dòng)由電機(jī)通過聯(lián)軸器傳至減速系統(tǒng)，傳動(dòng)系統(tǒng)由兩對(duì)斜齒輪的嚙合達(dá)到要求的轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)方案較為合理。板帶軋機(jī)的傳動(dòng)方案見圖1。

圖1 板帶軋機(jī)的傳動(dòng)方案

1.2 電動(dòng)機(jī)的選擇［3］

根據(jù)電動(dòng)機(jī)所需功率和同步轉(zhuǎn)速，查得電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)及總傳動(dòng)比如表1所示。

表1 電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)及計(jì)算總傳動(dòng)比

1.3 齒輪的設(shè)計(jì)及計(jì)算

減速器的設(shè)計(jì)選用標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)［4］。根據(jù)總傳動(dòng)比為3.4，分配到各級(jí)傳動(dòng)比：高速級(jí)的傳動(dòng)比為2.14，低速級(jí)的傳動(dòng)比為1.5。經(jīng)過齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算出αn＝20°，齒頂系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值c＊＝0.25，齒根高系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值han＊＝1，其他參數(shù)如表2所示。

表2 齒輪的主要參數(shù)

1.4 軸的設(shè)計(jì)及計(jì)算

1.4.1 各軸運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算

通過各計(jì)算公式可求得各軸的轉(zhuǎn)速、輸入功率和輸入轉(zhuǎn)矩，如表3所示。

表3 各軸運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)

說明：Ⅰ和Ⅱ軸之間的傳動(dòng)比為2.14；Ⅱ和Ⅲ之間為1.59；Ⅲ和Ⅳ之間為1。

1.4.2 軸的結(jié)構(gòu)與尺寸

根據(jù)尺寸要求可知Ⅰ軸應(yīng)做成齒輪軸，選擇調(diào)心滾子軸承24160型；II軸的軸承選擇23173型；Ⅲ軸選擇23172型號(hào)的軸承。軸的結(jié)構(gòu)及尺寸如圖2，3，4所示。

圖2 Ⅰ軸的結(jié)構(gòu)及尺寸

最后對(duì)軸承和軸都進(jìn)行了校核，均滿足使用要求。

其他：鍵選擇平鍵；減速器箱體采用焊接的方法來拼焊。

圖3 Ⅱ軸的結(jié)構(gòu)及尺寸

圖4 Ⅲ軸的結(jié)構(gòu)及尺寸

2 殼體有限元分析

2.1 三維造型

三維設(shè)計(jì)是當(dāng)今機(jī)械設(shè)計(jì)的趨勢(shì)，它既有直觀的優(yōu)點(diǎn)，還能為有限元分析、運(yùn)動(dòng)分析等打下基礎(chǔ)。

根據(jù)以上對(duì)減速器各部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及其裝配后的尺寸，可以設(shè)計(jì)合適的殼體，其焊接三維模型如圖5所示。

圖5 殼體的焊接三維模型

2.2 劃分網(wǎng)格

材料屬性：板塊的材料為Q235B，其機(jī)械性能為：E＝2.06×1011Pa，μ＝0.25，ρ＝7.85g/cm3，σs＝235MPa。

板塊的網(wǎng)格分布見圖6。

2.3 約束及載荷

根據(jù)板塊在工作中的位置，板塊工作時(shí)是固定的，所以在板塊底面位置上添加全約束，其余各面都可能向各個(gè)方向發(fā)生變形［5］。在與軸承接觸的圓弧面上添加由齒輪傳到軸承上的載荷，將齒輪上的扭矩轉(zhuǎn)換為單位面積上的載荷，將此扭矩轉(zhuǎn)換為力，再用力除以板塊上的半圓柱形面積，大圓弧上的作用力為F大＝7 639N，小圓弧上的作用力為F小＝20 561.5N。在大圓弧上的載荷為0.033MPa，小圓弧載荷為0.297MPa。

圖6 板塊的網(wǎng)格分布圖

2.4 分析結(jié)果

靜力分析結(jié)果如圖7，8所示。

圖7 板塊等效應(yīng)力分布圖

圖8 板塊等效應(yīng)變分布圖

圖9是板塊的等效應(yīng)力分布曲線，采集曲線時(shí)所用的節(jié)點(diǎn)都在板塊的承載面上。觀察圖所示的曲線可知板塊受力存在一主峰值，結(jié)合采集曲線時(shí)的路徑（從左上角向右沿輪廓線），橫向絕對(duì)坐標(biāo)值分別：120.994，241.988，362.982，483.976，604.970，725.964，846.958，967.952，1 088.946，1 209.940，峰值大小為1.069MPa發(fā)生在板塊圓弧的偏左側(cè)。

圖10是板塊的等效應(yīng)變分布曲線，曲線采集方法與等效應(yīng)力分布曲線的采集方法相同。從此曲線可以得知最大應(yīng)變和應(yīng)力發(fā)生在同一位置，等效應(yīng)變?yōu)?.190×10－6。

圖9 板塊等效應(yīng)力分布曲線

圖10 板塊等效應(yīng)變分布曲線

3 結(jié)果與討論

對(duì)減速器進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過校核各零件都符合使用要求和結(jié)構(gòu)要求。

對(duì)減速器殼體進(jìn)行有限元分析可知：從圖7可得，板塊所受的最大應(yīng)力為1.189MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在小圓弧左側(cè)底部；在大圓弧上最大應(yīng)力的位置和小圓弧的方位一樣，其最大應(yīng)力為0.528 8MPa。板塊所采用的材料為Q235B，其屈服極限為σs＝235MPa，兩圓弧所受到的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，所以板塊的安全系數(shù)極高，滿足使用要求。

綜合分析以上圖片和曲線，應(yīng)力、應(yīng)變值不是沿著板塊輪廓呈線性變化，而是呈現(xiàn)時(shí)大時(shí)小，這與板塊的形狀有關(guān)，由于應(yīng)力、應(yīng)變曲線非常相似，可以得知應(yīng)變隨應(yīng)力而變化，等效應(yīng)力越大的地方等效應(yīng)變也越大。

［1］ 鄒家祥.軋鋼機(jī)械［M］.3版.北京：冶金工業(yè)出版社，2000.

［2］ 林怡青，謝宋良，王文濤.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［3］ 傅知蘭.電力系統(tǒng)電氣設(shè)備選擇與使用計(jì)算［M］.北京：中國電力出版社，2004：105.

［4］ 孫志禮，冷興聚，魏嚴(yán)剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.沈陽：東北大學(xué)出版社，2000：57－89.

［5］ 張永棟，謝小鵬.基于有限元方法的齒輪接觸仿真分析［J］.潤滑與密封，2009，34（1）：49－51.

（責(zé)任編校：李秀榮）

Finite Element Analysis on Shell and the Design of Main Reducing Gear of Cold Strip Tandem

LIU Xiao－wen1，PENG Shuai2，BU Yun1

（1.Department of Electromechanical Engineering，Tangshan College，Tangshan 063000，China；2.Tangshan Aixin gear Company Limited，Tangshan 063000，China）

Through working parameters of the strip mill，this article selects the transmission scheme of the main reducing gear and designs the main components of the reducer.Three－dimensional modeling is designed based on the three－dimensional software.In addition，the static analysis is conducted in the main reducing gear shell using the finite element software ANSYS.Therefore，the optimal design of the shell is worked out.

cold strip tandem；main reducing gear shell；finite element analysis；static analysis

book=14,ebook=14

TH132.46

A

1672－349X（2012）03－0082－03

2012－04－06

劉曉雯（1983－），女，河北唐山人，講師，碩士，主要從事機(jī)械制造研究。