齿轮减速箱可靠性有限元强度计算及分析
铁 道 建 筑Railway Engineering
January ,2009
文章编号:100321995(2009)0120004203
齿轮减速箱可靠性有限元强度计算及分析
彭军祥
(昆明中铁大型养路机械集团有限公司,昆明 650215)
摘要:讨论铁路大型养路机械某齿轮减速箱的有限元刚、强度分析计算及变形量,首先对减速箱在实际
工况载荷作用下,进行结构刚、强度计算与校核,然后根据计算结果,对减速箱结构作出分析结论。计算过程使用的是有限元分析软件ANSY S 。此外,还简要介绍了有限元分析计算中的经验。关键词:捣固稳定车 齿轮箱强度 有限元分析中图分类号:U216163+
1 文献标识码:B
收稿日期:2008209222;修回日期:2008210220
作者简介:彭军祥(1975—),男,湖南双峰人,工程师,硕士。
0 前言
齿轮减速箱作为铁路大型养路机械动力系统的一
个关键部件,负责把大型养路机械中发动机的动力传递到车轮,其运行状况直接影响列车的行车安全和动力学性能。在齿轮传动过程中,箱体承受较大的载荷并产生较大的变形和应力,所以,必须对箱体的强度和结构进行校核。本文对铁路大型养路机械中的连续式捣固稳定车齿轮减速箱进行有限元结构刚、强度分析计算,以便检验箱体是否达到刚强度要求,如不满足,则需要加强;如刚、强度合适,则可将设计进行下去。因此,此次有限元分析的目的就是要保证或提高箱体的强度,如果存在问题就要提供优化设计和改进的方法和建议,以达到设计的整体要求。
本箱体结构比较复杂,属焊接箱体;其次所受到的工况载荷复杂,主要是承受众多复杂的轴承载荷。在分析计算中,以ANSY S 软件建造的箱体三维实体模型为基础,根据载荷工况要求,对箱体建立了有限元分析模型。按载荷工况,使用有限元分析软件ANSY S ,计算出箱体在给定载荷条件下的应力及变形分布情况,即可获得箱体每一处的强度状况。在对计算结果进行了较为详尽分析的基础上,对现有设计进行有效的评估,确定箱体是否能满足设计要求。
1 有限元模型
现今几乎所有的有限元分析模型都通过对几何实
体模型的网格划分来建立。ANSY S 的前处理模块提
供了比较强的建模功能,包括基本的几何体素和完整的布尔运算,以及拖拉、延伸、旋转、移动和拷贝实体模
型图元等功能。可以直接在ANSY S 中按照零件图纸的尺寸,求取零件中面的坐标作为输入坐标,做出零件的几何模型,用于单元网格划分。考虑到计算分析的需要,在不影响分析结果的前提下,将箱体实体模型中的小圆角、小倒角删去,简化了计算模型,使得模型的节点数和单元数目大量减少,从而满足了计算的效率与精度。
图1 箱体单元网格图
箱体计算使用ANSY S 中的S O LI D92单元进行网格划分,S O LI D92单元为十节点四面体单元,能很好划分不规则的网格。最终,箱体划分了34321个单元,节点总数达到18054个。整个箱体单元网格如图1所示。
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计算模型的边界条件为传动箱体两端完全固定。模型坐标y轴为铅垂向(垂直向上为正),x轴为水平方向(指向右边为正),z轴为沿着厚度方向(指向前为正)。具体坐标方向如图1所示。
2 材料特性和荷载工况
211 材料特性
箱体材料采用Q235钢,材料参数确定为:弹性模量E=206000N/mm2;泊松比μ=013;密度ρ=718×10-6kg/mm3。
212 荷载工况
在箱体有限元计算中,考虑到荷载包括:箱体自重,传动轴对箱体的扭矩,传动轴、泵、齿轮对箱体的压力等。
3 有限元计算结果
有限元计算完毕以后,接下来就是使用ANSY S软件的后处理功能,利用计算出的箱体各个单元的节点位移,来确定各个单元的应力大小,以及整个结构变形情况和应力分布的图形显示、放大渲染等工作。图2～图5是箱体的位移变形图
。
图2 箱体x方向位移(单位:m)
图4 箱体z方向位移(单位:m)
图3 箱体y方向位移(单位:m)
图5 箱体总位移(单位:m)
从图2～图5可以看出,在荷载作用下,箱体x方
向位移最大为01005014mm,y方向位移最大为
-01028559mm,z方向位移最大为01000861mm,总
位移最大为01028559mm,箱体的位移较小。由于箱
体结构对称,作用荷载对称,箱体y方向位移与总位
移对称。由于箱体两侧约束,总位移为0,而在箱体中
部总位移达到最大值。
图6为箱体的y方向正应力图,图7为箱体的第
一主应力图,图8为箱体的第三主应力图,图9为箱体
的米泽斯等效应力图。
5 2009年第1期齿轮减速箱可靠性有限元强度计算及分析
图6 箱体y 方向正应力图(单位:Pa )
图8 箱体第三主应力图(单位:Pa )
图7 箱体第一主应力图(单位:Pa )
图9 箱体米泽斯等效应力图(单位:Pa )
从图6～图9可以看出,在荷载作用下,箱体第一、第三主应力与米泽斯等效应力基本成对称分布。箱体第一主应力最大为2411MPa ,位置为下部两个孔的下边缘,为拉应力。箱体第三主应力最大为2114MPa ,位置为下部每个孔的下边缘,为压应力。箱体的米泽斯等效应力最大值为2919MPa ,位置为下部两个孔的下边缘。箱体的应力水平较低。
4 结论
本文根据齿轮减速箱的工作情况,对箱体进行了有限元分析计算和讨论,通过以上的计算结果可以看出箱体的米泽斯等效应力最大值仅为2919MPa ,箱体的应力水平较低,在既有要求下强度完全能满足。其变形量即最大位移仅为-01028559mm 也相对很少,
在箱体轴承的辅助作用下变形量还会减少,不会因为箱体变形引起箱体发热、噪声大等问题。这对于铁路大型养路机械齿轮传动箱的设计是非常有意义的。为了确保本齿轮减速箱的质量和可靠性,在时间和条件允许的情况下,可进行试验验证,并进一步提出改进意见和措施。
参
考
文
献
[1]颜云辉,谢里阳.结构分析中的有限单元法及其应用[M].哈
尔滨:东北大学出版社,2000.
[2]谭建国.使用ANSY S 进行有限元分析[M].北京:北京大学
出版社,2002.
(责任审编 孟庆伶)
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