基于Workbench的铣边机齿轮轴有限元分析

来源 :电力与能源系统学报·中旬刊 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hll10
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  摘要:本文以螺旋焊缝机组铣边机齿轮轴为研究对象,首先对齿轮轴进行受力分析和载荷计算,然后运用SolidWorks三维软件进行三维建模,接着通过ANSYS workbench与SolidWorks关联的功能将三维模型快速导入workbench中进行静力学仿真分析;设置齿轮轴在workbench中的材料属性、利用仿真软件自动划分网格的方法来划分网格,按照实际工况施加约束和载荷。最后得到齿轮轴的总变形图和等效应力云图,并以此来判断设计的齿轮轴是否满足强度和刚度的要求。
  引言:铣边机的齿轮轴是整个传动系统中重要部件之一。由于齿轮轴是动力装置中的Ⅰ轴,所以其变形和损坏直接影响着后续的齿轮传动以及刀具的加工精度。因此对铣边机进行静力学分析具有重要意义。ANSYS软件可以和大多数 CAD 软件进行对接使用,如 SolidWorks、Pro/Engineer、AutoCAD等。ANSYS 结构分析可提供七种分析类型,分别是:静力分析、模态分析、谐波分析、瞬态动力分析、谱分析、屈曲分析、显示动力分析[1]。本文采用ANSYS Workbench16.0对铣边机齿轮轴进行有限元分析。
  1 齿轮轴受力分析及载荷计算
  本文对铣边机齿轮轴进行静力学分析,齿轮轴在加工中所受载荷最大。因此以铣边机实际加工状况下的载荷为最大工况,齿轮轴输入端受一转矩,输出端受三个方向的力(圆周力力、径向力和轴向力)。齿轮轴的受力情况如图1所示。
  根据已知参数经理论计算得:T0=7×105N·mm,T1=4.2×106N·mm,Ft=2028.76N,Fr=751N,Fa=384N。齿轮轴除了受这四个力之外,还应受重力和轴承给齿轮轴的支反力。其中重力通过在分析软件中施加重力加速度来实现,因为齿轮轴在实际中是竖直放置的,因此重力对齿轮轴的强度和刚度影响不大,在静力学分析中可忽略不计。轴承支反力通过施加圆柱面约束来实现。
  2 齿轮轴有限元仿真分析
  2.1 三维模型建立并导入有限元分析软件
  在对齿轮轴进行静力学分析前,使用SolidWorks软件对齿轮轴进行三维建模。SolidWorks软件与ANSYS软件已实现关联,在SolidWorks中启动ANSYS workbench16.0,得到的有限元分析模型如图2所示。
  2.2 添加材料属性和网格划分
  铣边机中齿轮轴采用20CrMnMo材料。材料属性的具体参数如表1所示。按照材料属性添加在Engineering Date 界面中。
  对模型进行网格划分。Workbench中网格划分手段分为自动划分法(Automatic)、掃描法(Sweep)、多区域法(MultiZone)三种网格划分方法。齿轮轴结构较为简单,采用自动网格划分方法。网格划分后如图 3所示。
  在齿轮轴安装轴承的蓝色轴肩面(A、B处)添加一个柱面支承,约束其径向运动,柱面的切向和轴向都自由。在齿轮轴输出端选择轴承与轴接触的黄色侧面(C处),用位移约束限制齿轮轴的轴向运动。在轴输入端选择另一轴承与轴接触的黄色侧面(D处),同样用来限制齿轮轴的轴向运动[3]。
  齿轮轴输入端通过键与电机主轴相连,将作用在矩形键槽的反作用力施加在矩形键槽面上的一侧(红色所示E处)[4],将反作用力换算成压强,压强P可由下列公式求得:
  式中,M为齿轮轴的输入转矩,单位为N·m;S为键槽一侧的面积,单位为mm2;r为键槽中心线距齿轮轴轴线的距离,单位为mm。
  其中M=T0=7×102N·m,S=900mm2,r=42mm,将参数代入公式得P=18.52Mpa,方向与电机旋转方向相同。输出端通过齿轮啮合带动中间轴旋转,所以在齿轮轴齿面上的载荷分别为圆周力、径向力、和轴向力,由上述计算结果可知圆周力为2028.76N,径向力为751N,轴向力为384N,红色位置F、H、G处,方向与电机旋转方向相反。齿轮轴所受约束和载荷如图4所示。
  2.4 求解与结果分析
  施加约束和载荷后,在workbench中添加求解项,在本文中选择等效应力及总变形。
  图5为齿轮轴的总变形图,由图中可以看出在实际工况下变形从输入端到轴的末端在逐渐减小,输入端键槽处的变形达到了最大值为0.03mm。变形随着轴半径的增大而逐渐增大。
  图6为齿轮轴的等效应力图。由图可以看出齿轮轴的最大应力生在键槽根部和啮合齿根部,最大应力值为19.63Mpa,远小于齿轮轴的许用应力强度。
  3结论
  经对齿轮轴的总变形图和等效应力云图分析可得,该铣边机齿轮轴的设计满足强度和刚度设计要求。齿轮轴的薄弱环节发生在键槽顶部和齿根部,应力集中同样发生在这两个位置,其中键槽处可以通过将单侧键槽设计为双侧键槽,增加键槽的接触面积来降低键槽所受的压力。齿根部可以通过改变齿的结构来获得较高承载能力。这为以后齿轮轴的设计提供了依据。
  [参考文献]
  [1]巩健.自动落纱机的设计及仿真研究[D].青岛大学,2018
  [2]王良才,张文信,黄阳.机械设计基础[M].北京大学出版社,2007
  [3]钟飞,史青录,周绍利.基于Workbench的推土机终传动轴有限元分析[J].建筑机械,2014,10:94-96.
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