叢丹，孫齊

（大連橡膠塑料機械有限公司，遼寧　大連　116039）

基于有限元分析法對密煉機減速器箱體的優(yōu)化設(shè)計

叢丹，孫齊

（大連橡膠塑料機械有限公司，遼寧大連116039）

本文以密煉機減速器為研究對象，按照等強度理論，利用有限元分析法對密煉機減速器箱體進行優(yōu)化設(shè)計，通過對比優(yōu)化前和優(yōu)化后箱體的應(yīng)力值、應(yīng)變值及安全系數(shù)，調(diào)整箱體的壁厚及加強筋等位置，并多次校核分析，最終達到最佳優(yōu)化的效果，總結(jié)在設(shè)計過程中的設(shè)計方法和注意事項，為今后同類型減速器的設(shè)計提供了很高的參考價值。

減速器箱體；優(yōu)化設(shè)計；應(yīng)變云圖；最大拉應(yīng)力云圖

1　課題的研究背景及意義

隨著世界經(jīng)濟全球化、全球經(jīng)濟一體化的逐步深化，汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展，輪胎的需求與日俱增，中國的橡膠機械行業(yè)呈現(xiàn)高速發(fā)展的趨勢。我國橡膠機械行業(yè)已告別過去的測繪仿制時代，絕大多數(shù)產(chǎn)品已經(jīng)具有自主研發(fā)的能力，其中包括橡膠密煉生產(chǎn)線、橡膠壓延生產(chǎn)線、橡膠開煉機系列、橡膠擠出機系列等［1～2］。中國的制造業(yè)近年來迅速崛起，已成為當今世界的制造大國，我國正處于由“中國制造”向“中國設(shè)計”的轉(zhuǎn)型期，如今我們需要提高自身產(chǎn)品的核心競爭力，在全球市場中開拓一片新的天地。

密閉式煉膠機簡稱密煉機，主要用于橡膠的塑煉和混煉，是橡膠制品廠以及輪胎廠的重要設(shè)備。法拉爾作為Banbury密煉機的發(fā)明人，不斷推出先進技術(shù)，它的F系列密煉機深受輪胎生產(chǎn)企業(yè)和初級復合物公司喜愛。隨著串聯(lián)密煉機和一次法煉膠工藝的出現(xiàn)，密煉機已成為橡膠機械行業(yè)不可或缺的重要組成部分，如今仍在不斷的發(fā)展和完善［3］。隨著新型密煉機、新型煉膠工藝的出現(xiàn)，齒輪傳動技術(shù)飛速的發(fā)展，新技術(shù)、新理念、新設(shè)計方法的不斷提出，產(chǎn)品的設(shè)計目標已不再滿足單一的強度要求，而是對產(chǎn)品內(nèi)部主要零件的壽命差異、設(shè)備運轉(zhuǎn)噪聲提出了更高的要求，等強度設(shè)計［4］、低噪聲設(shè)計［5］，已成為在現(xiàn)代設(shè)計方法中重要的設(shè)計理論［6］。

我公司密煉機是在F系列上發(fā)展起來的，它揉合了美國法拉爾（FARREL）和日本神鋼（KOBELCO）的技術(shù)優(yōu)點，并借助于多年的工藝技術(shù)積累以及強大的加工設(shè)備，結(jié)合多年的國內(nèi)、國外用戶的使用經(jīng)驗，逐步形成具有本土風格的密煉機。由于減速器結(jié)構(gòu)復雜，利用傳統(tǒng)的計算方法難以對箱體的強度和剛度進行精確計算與校核，為了保證減速箱的可靠性及安全性，在減速器的設(shè)計過程中，箱體的壁厚通常是按照經(jīng)驗公式確定的，然而這樣設(shè)計出箱體的安全系數(shù)通常較大，造成強度浪費，也會增加制造成本。

2　課題的研究內(nèi)容

本文以密煉機減速器為例，按照等強度理論重新設(shè)計齒輪參數(shù)，利用ANSYS對箱體進行有限元分析，對箱體各部分的應(yīng)力分布、變形等進行詳細的計算、分析、比較，從而對箱體的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，這樣既保證減速箱箱體的強度和剛度滿足要求、又降低箱體的重量和成本，最后總結(jié)出結(jié)構(gòu)與之相同的減速器箱體在設(shè)計中的注意事項。

密煉機減速器作為重要的齒輪減速器，失效概率為1/1 000，可以確定最小安全系數(shù)。通過選用優(yōu)質(zhì)的齒輪材料，熱處理等級并提高齒輪的加工精度，按照等接觸強度和等彎曲強度理論重新設(shè)計齒輪參數(shù)，優(yōu)化后各齒輪的安全系數(shù)都滿足失效概率為1/1 000時要求，各級齒輪中心距均有不同程度的優(yōu)化。

優(yōu)化后的減速器箱體進行重新設(shè)計，箱體壁厚按照機械設(shè)計手冊：公式優(yōu)化后第三級齒輪中心距As=810 mm，箱體的厚度△max=29.3 mm，優(yōu)化前減速器箱體壁厚為32 mm，取值相對保守。現(xiàn)在將箱體壁厚取值為24 mm，并對箱體進行有限元分析。

2.1創(chuàng)建三維模型

利用UG軟件創(chuàng)建三維模型，在下箱體受壓應(yīng)力和上箱體受拉應(yīng)力的地方增加筋板來增加箱體的剛性，由于輸出軸處齒輪產(chǎn)生的切向力最大，所以增加輸出軸軸承座的高度以減小此處的應(yīng)變。將箱體本身對計算影響不大的螺栓孔和倒角進行簡化，以減少箱體的單元數(shù)，降低計算量。箱體選用吸振和有利于降低噪聲的材質(zhì)，HT200，生成實體后將模型生成后導入ANSYS Workbench中，如圖1 （左側(cè)為XM-270箱體，右側(cè)為改進箱體，后圖相同）。

圖1　三維模型

2.2模型網(wǎng)格劃分

將HT200的材料屬性輸入Workbench中，參數(shù)如下：

彈性模量：1.4×10II

泊松比：0.31

密度：7.2×103kg/m3

然后對箱體模型劃分網(wǎng)格，單元格類型為四節(jié)點正四面體，劃分模型如圖2所示，優(yōu)化前箱體的節(jié)點數(shù)為343 975，單元數(shù)為189 276；優(yōu)化后箱體的節(jié)點數(shù)為307 202，單元數(shù)為166 475。

圖2　劃分網(wǎng)格

2.3邊界條件

模擬減速器運行時的受力情況，減速器箱體與地基座通過10個地腳螺栓連接，在這里將這10個螺栓孔施加全約束，限制了箱體的位移，這與實際工況相符，箱體所受到的載荷通過計算軸承所承受的支反力求得，如圖3所示。

圖3　約束與軸承力

2.4結(jié)果分析

前處理完畢，經(jīng)過計算，求解，應(yīng)變云圖、最大拉應(yīng)力云圖分別見圖4、圖5。由箱體分析結(jié)果可知，最大應(yīng)變由0.256 mm減小為0.178 mm，最大拉應(yīng)力由65.98 MPa減小為62.41 MPa，應(yīng)變和應(yīng)力均有所減小。HT200的抗拉強度，屬于脆性材料，分析結(jié)果應(yīng)以最大拉應(yīng)力為準，箱體的安全系數(shù)為3.2。

3　結(jié)論

優(yōu)化后各級齒輪的中心距縮小，整個箱體尺寸減小，相比優(yōu)化前而言，各齒輪軸對箱體產(chǎn)生的作用力有增大的趨勢，而從結(jié)果中可以看出，無論是應(yīng)變還是拉應(yīng)力，都是縮小的趨勢，可見合理的結(jié)構(gòu)能夠有效的改善箱體的受力情況，達到預(yù)期的效果。

在有限元分析的過程中，當局部應(yīng)力較大時，在相應(yīng)的位置增加筋板的數(shù)量，增加倒圓角可以有效的降低箱體的應(yīng)力集中。在設(shè)計箱體時，箱體的壁厚對成本的影響很大，減小箱體的壁厚能夠降低其毛坯成本，達到理想的性價比。在齒輪軸向力較大處，箱體

圖4　應(yīng)變云圖

圖5　最大拉應(yīng)力云圖

的變形也比較大，所以在設(shè)計齒輪時，應(yīng)著重考慮降低軸向力或者盡量抵消軸向力，這是設(shè)計所追求的目標。

利用有限元法對密煉機減速箱箱體進行計算分析與優(yōu)化，既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)力及最大變形值，又能降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)設(shè)計優(yōu)化，得到理想數(shù)據(jù)，有限元法為減速箱箱體的設(shè)計提供一種新的計算與校核工具。

［1］ 陳維芳.我國橡膠機械行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.橡塑技術(shù)與裝備， 2005，31（05）:13～17.

［2］ 周保弟.我國橡膠機械工業(yè)的現(xiàn)狀［J］.石油和化工設(shè)備，2009，（11）:4～7.

［3］ 于清溪.密閉式橡膠混煉機的技術(shù)現(xiàn)狀及最近發(fā)展［J］.橡塑技術(shù)與裝備， 2010，36（9）:4～17.

［4］ 冀曉紅.漸開線圓柱齒輪的等強度設(shè)計［J］.機械設(shè)計與制造，2004，（06）:12～13.

［5］ 張曉莉.低噪聲齒輪的設(shè)計［J］.液壓與氣動， 2009，（9）:58～60.

［6］ 秦大同.國際齒輪傳動研究現(xiàn)狀［J］.重慶大學學報. 2014，37（8）:1～10.

（R-01）

測定乳聚型充油丁苯橡膠中單體質(zhì)量分數(shù)的方法

中國石油天然氣股份有限公司發(fā)出一種測定乳聚型充油丁苯橡膠中單體質(zhì)量分數(shù)的方法，包括以下步驟：將乳聚型丁苯橡膠樣品切成碎塊，包入已編號的濾紙包中，將濾紙包放入回流裝置回流，然后取出濾紙包，將樣品放入真空烘箱中干燥至恒重；取干燥后的樣品放入已編號的核磁專用樣品管中，加入氘代氯仿溶劑，充分加熱溶解，穩(wěn)定至室溫后，利用核磁共振波譜儀進行氫核磁共振（1H-NMR）掃譜工作；利用得到的核磁共振氫譜，標定出不同峰區(qū)所對應(yīng)的含氫官能團類型，確定積分起止參數(shù)；及根據(jù)各積分值及其反映的官能團結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系推導出單體質(zhì)量分數(shù)關(guān)系式。該測定方法操作簡單，快速準確，適用于對乳聚型丁苯橡膠的批量分析或生產(chǎn)質(zhì)量控制。

燕豐 供稿

Optimization design of mixer reducer box based on fi nite element analysis method

Optimization design of mixer reducer box based on fi nite element analysis method

Cong Dan，Sun Qi
（Dalian Rubber Plastic Machinery Co.， LTD.， Dalian 116039， Liaoning， China）

In this paper， Using fi nite element analysis method to optimize the design of mixer reducer case，by comparing the stress and strain valuesand the safety factor before optimization and after optimization ， adjust the casing wall thickness and stiffener location， and repeatedly check analysis， ultimately achieve the best effect of optimization.It summarise design methods and considerations in the design process for the future，and provides a high reference value for the same type reducer design.

reducer box； optimization design； strain contours； the largest tensile stress nephogram

TQ330.43

1009-797X（2016）17-0056-03

ADOI:10.13520/j.cnki.rpte.2016.17.013

叢丹（1988-），女，助理工程師，2011年畢業(yè)于沈陽工業(yè)大學，現(xiàn)主要從事密煉機、開煉機傳動裝置的研發(fā)設(shè)計工作，獲批國家專利1項。

通訊郵箱：756667511@qqcom

2016-06-03