彭漢軍

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心， 山西 太原 030024）

干熄焦提升機(jī)一般安裝在離地約50 m高的井架頂部，每天大約運(yùn)行22 h，一旦近20 t重的減速器出現(xiàn)問(wèn)題，從50 m高的地方去更換或者修復(fù)它，將是一件成本極高的事情。因此，設(shè)計(jì)干熄焦提升機(jī)減速器時(shí)，既要保證它的性能優(yōu)越，還希望它的設(shè)計(jì)合理。減速器的核心零件齒輪和軸承的設(shè)計(jì)和選用都可以通過(guò)軟件計(jì)算來(lái)確定，而減速器箱體則是主要通過(guò)類(lèi)比法來(lái)設(shè)計(jì)，若是能運(yùn)用ANSYS對(duì)減速器箱體進(jìn)行模擬仿真，分析箱體的受力分布情況，箱體的構(gòu)造以及外形方面會(huì)有所改進(jìn)。在這樣的問(wèn)題背景下，本文從理論分析和有限元分析的角度，對(duì)減速器箱體所面臨的問(wèn)題進(jìn)行探究和解決[1]。

1 箱體建模

為了得到本箱體在其工作狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的變形與應(yīng)力，需要對(duì)模型進(jìn)行靜態(tài)有限元分析。在進(jìn)行有限元分析之前應(yīng)首先建立箱體的幾何模型和物理模型。幾何模型主要是確定模型的幾何構(gòu)造特征，并進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。物理模型是在零件的幾何模型（初始幾何形體）基礎(chǔ)上，依據(jù)工況性質(zhì)對(duì)零件的載荷與約束屬性進(jìn)行等效與簡(jiǎn)化，包括載荷類(lèi)型、大小與分布及施加方式、約束類(lèi)型、方式與性質(zhì)等，能夠體現(xiàn)零件初始幾何模型的工作狀態(tài)[2]。

1）箱體的幾何模型

由于箱體模型較為復(fù)雜，本文采用四面體網(wǎng)格劃分，為較準(zhǔn)確地表達(dá)出箱體的形貌進(jìn)行了多次嘗試，最終網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖1所示，其中節(jié)點(diǎn)數(shù)為1043274個(gè)，單元數(shù)為606946個(gè)。

圖1 箱體網(wǎng)格劃分

2）箱體的物理模型

箱體所受的載荷主要是軸通過(guò)軸承作用在箱體上的作用力，可以通過(guò)箱體軸孔圓心處施加遠(yuǎn)程力（remote force）來(lái)實(shí)現(xiàn)，施加遠(yuǎn)程力時(shí)，首先在各軸孔圓心建立局部直角坐標(biāo)系，然后建立遠(yuǎn)程點(diǎn)（remote point），最終在遠(yuǎn)程點(diǎn)上施加x、y、z三個(gè)方向的遠(yuǎn)程力[3]。施加遠(yuǎn)程力時(shí)，DefineBy選項(xiàng)應(yīng)選取Component選項(xiàng)，最終施加力的結(jié)果如圖2所示。

圖2 施加的遠(yuǎn)程力

3）箱體約束設(shè)置

箱體與地面之間為螺栓緊固約束，現(xiàn)不考慮螺栓的彈性影響，在箱體底部各螺栓位置上設(shè)置三個(gè)方向的全約束Fixed Support，如下頁(yè)圖3所示。

2 箱體有限元分析

2.1 箱體總變形分析

設(shè)置完成后，在結(jié)果（Solution）項(xiàng)中依次添加x、y、z向的變形云圖（Directional）、總變形云圖（Total Deformation）以及等效應(yīng)力（Equivalent Stress）。計(jì)算得出的箱體的總變形云圖如圖4所示。由圖可以看出箱體變形量最大的位置在輸出軸軸孔的右上角的區(qū)域，變形量約為730 μm，可見(jiàn)這里主要是y方向的變形引起的[4]。

圖3 箱體底部固定約束

圖4 總變形云圖

2.2 箱體等效應(yīng)力分析

計(jì)算得出的箱體的等效應(yīng)力結(jié)果如圖5所示。由應(yīng)力云圖可以看出箱體最大應(yīng)力在輸出軸軸孔的右上角的加強(qiáng)筋的下端，最大等效應(yīng)力值約為89 MPa。

圖5 等效應(yīng)力云圖

3 基于概念-單元方法的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

減速器箱體設(shè)計(jì)是在滿足功能和性能要求下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是主體結(jié)構(gòu)構(gòu)型和內(nèi)外部筋板等的分布設(shè)計(jì)，因其結(jié)構(gòu)多樣且工況載荷復(fù)雜，故設(shè)計(jì)計(jì)算比較復(fù)雜。減速器箱體最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)基本是縱橫均勻分布筋板，這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是體積與質(zhì)量大、材料消耗多、成本高。因此傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法很難滿足現(xiàn)代高性能、低成本、輕量化的設(shè)計(jì)需求，現(xiàn)采用概念單元設(shè)計(jì)方法對(duì)箱體進(jìn)一步優(yōu)化[5]。

3.1 傳力路徑提取與規(guī)整化

為了實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化，從多方面提升箱體的綜合性能，本文的優(yōu)化以柔度和頻率為目標(biāo)，最終以柔度為目標(biāo)的優(yōu)化迭代31步，以頻率為目標(biāo)的迭代27步，結(jié)果如圖6所示。

圖6 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

上述所得結(jié)果是將箱體壁的材料進(jìn)行去除處理，然而實(shí)際中是不會(huì)將箱體掏空的，計(jì)算機(jī)仿真僅為我們的設(shè)計(jì)提供一些依據(jù)和參考，我們根據(jù)所得結(jié)果對(duì)原有筋板的布局進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

綜合兩個(gè)目標(biāo)所得優(yōu)化的結(jié)果，得出最新結(jié)構(gòu)，如圖6，對(duì)原有的筋板進(jìn)行重新布局，以達(dá)到加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度和減輕箱體的質(zhì)量的目的，并通過(guò)對(duì)新構(gòu)造的結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)分析，來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

3.2 結(jié)構(gòu)單元選取

壁板類(lèi)單元常用七類(lèi)：十字形、太陽(yáng)形、米字形、V形、N形、X形、菱形。這些結(jié)構(gòu)單元既能增加零件的結(jié)構(gòu)性能，又可以改進(jìn)零件的制造工藝性，這些單元類(lèi)型也會(huì)交叉使用[6]。其中N型、V型有良好的拉壓性能和良好的基頻特性，此處選用這兩種結(jié)構(gòu)單元構(gòu)造如下圖7。

圖7 選用結(jié)構(gòu)單元重新布局的箱體

3.3 剛度驗(yàn)證

優(yōu)化后的減速器箱體計(jì)算得出的總變形云圖如圖8所示。由圖可以看出箱體變形量最大的位置在輸出軸軸孔區(qū)域，變形量約為368 μm，可見(jiàn)這里變形主要是由z方向的引起的。

圖8 總變形云圖

計(jì)算得出箱體的等效應(yīng)力結(jié)果如圖9所示。由應(yīng)力云圖可以看出箱體最大應(yīng)力在輸出軸軸孔下方的加強(qiáng)筋的下端，最大等效應(yīng)力值約為83 MPa。

圖9 等效應(yīng)力云圖

對(duì)優(yōu)化后的箱體的靜力分析結(jié)果可知，優(yōu)化后的箱體在各個(gè)方向的力均有所減小，且結(jié)構(gòu)的改變同時(shí)也改變了部分最大受力位置，使箱體受力后傳力的途徑發(fā)生變化，導(dǎo)致了最大受力位置發(fā)生了變化，最大應(yīng)力有所降低，最終使箱體整體的剛度提升，箱體結(jié)構(gòu)得到改善。

4 優(yōu)化前后的箱體剛度對(duì)齒輪嚙合的影響

對(duì)于平行軸減速器，箱體在x方向的變化量對(duì)中心距起至關(guān)作用，y方向上的變形量產(chǎn)生的影響可以忽略，z方向的變形量對(duì)中心距的影響甚微?，F(xiàn)對(duì)箱體在優(yōu)化前后的各級(jí)中心距變化、軸孔位移、齒輪嚙合位置的相對(duì)位移等參數(shù)進(jìn)行提取并計(jì)算對(duì)比分析：箱體兩側(cè)中心距390、730、610、630優(yōu)化前后始終保持不變，說(shuō)明這部分軸承板的剛度足以保證中心距不產(chǎn)生變化；前側(cè)中心距880的變形量由優(yōu)化前的0.176 mm變成優(yōu)化后的0.126 mm，后側(cè)中心距880的變形量由優(yōu)化前的0.219 mm變成優(yōu)化后的0.097 mm，箱體優(yōu)化后兩側(cè)中心距都更接近設(shè)計(jì)值；由于箱體的變形，導(dǎo)致前側(cè)和后側(cè)軸承孔在x負(fù)方向都有位移，但是兩側(cè)的位移量不同，且優(yōu)化后相對(duì)位移量都有所下降，軸孔同軸度提高；由于箱體兩側(cè)對(duì)應(yīng)軸孔有相對(duì)位移，會(huì)導(dǎo)致齒輪嚙合的地方不平行度變大，箱體優(yōu)化后相對(duì)位移減小，平行度提高。由以上分析可知，優(yōu)化后的箱體整體剛度提高，使減速器中心距誤差減小，箱體兩側(cè)對(duì)應(yīng)的軸孔同軸度提高，軸孔間的平行度也提高，最終齒輪嚙合精度提高。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立箱體的三維實(shí)體模型，將其導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行靜態(tài)分析，得出箱體變形云圖和應(yīng)力云圖。根據(jù)分析結(jié)果，針對(duì)性地對(duì)箱體做相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并將重新構(gòu)建的拓?fù)鋬?yōu)化后的箱體三維實(shí)體模型再次導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行靜態(tài)分析，結(jié)果顯示：優(yōu)化設(shè)計(jì)后的箱體總變形量降低了50%，最大應(yīng)力下降，剛度提高，齒輪的嚙合精度也隨之得到了提高，減速器的整體性能得到提升。