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基于Simulation的齿轮轴结构优化

发表时间: 2017/5/17 作者: 蒋晶*王永*潘军远*郭钢*史文杰*黄红涛 来源: 互联网
分析某桥式起重机大车运行减速器齿轮轴的断裂原因,利用Solidworks Simulation软件对断裂齿轮轴建立有限元模型,在对其进行静力学分析的基础上进行结构优化,改善齿轮轴的受力状态,避免事故状态再次发生。
 

    桥式起重机是企业中最常用的吊装运输装备,直接影响到车间生产、设备检修、货物运输等任务的正常完成。由于桥式起重机工作时间长、操作频繁、工况恶劣,经常在重载下进行起动、制动、变速等操作,对传动齿轮轴的冲击很大,容易导致局部应力集中,造成断轴事故发生。文中对断裂齿轮轴进行静力学有限元分析,并根据应力状态对其进行结构优化,最终比较两种结构的应力状态,为齿轮轴的结构优化设计提供科学合理的理论依据。

    减速器齿轮轴的结构尺寸如图1所示,齿轮轴转速n=147.98r/min,传递功率P=40kW,材料为42CrMo,调质处理HB269302,齿轮相关参数如表1所示。

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    图1 齿轮轴结构尺寸图

    表1 齿轮相关参数表

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    1 齿轮轴的有限元分析

    1.1 建立三维模型

    利用Solidworks创建齿轮轴的三维模型,如图2所示;定义其基本属性:弹性模量为206GPa,泊松比为0.29,质量密度为7.85eCcm3,屈服极限为600MPa。

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    图2 齿轮轴三维模型图

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    图3 齿轮轴网格划分图

    1.2 确定边界条件以及施加载荷

    在轴承安装位置添加轴承支撑约束,使齿轮轴只能绕其轴线转动,不能移动。对齿轮轴施加载荷,轴齿1载荷直接施加到工作齿面上,轮齿2载荷则按齿轮宽度中心的分度圆顶端沿坐标系方向分别施加圆周力、径向力和轴向力。

    1.3 划分网格

    采用Solidworks Simulation默认的二阶四面体网格单元对齿轮轴进行网格划分,对应力较集中的区域采取网格控制细化网格单元,如图3所示。

    1.4 结果分析

    图4、图5、图6、图7分别是齿轮轴的Von Mises应力、合位移、等量应变、安全系数分布图,结果显示:齿轮轴的最大应力为540.6MPa,分布在靠近轴齿的轴肩过渡位置,安全系数仅为1.11,与实物的断裂源位置相符;齿轮轴的最大位移量为o.292mm,主要集中在工作齿的边缘区域。

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    图4 齿轮轴应力分布图

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责任编辑:张纯子