基于ANSYS的三环减速器有限元分析.pdf

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1、第 2 9卷第 4期 2 O O 8 年4月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e r y V0 1 2 9 N o 4 A p r 2 0 0 8 基于 A N S Y S的三环减速器有限元分析 张雪雁 。蔡玉 强 。孟 宪举 ( 河北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 0 6 3 0 0 9 ) 摘要 ：建立 了三环减速器传动部分的有限元分析模型 ， 并对三环减速 器的传动 系统进行 了 静 力分析 ， 得到 了传动系统各个构件的受力和变形， 与实验结果的比照表 明有限元分析结果与实际 情况很相符。 关键词 ：三环减速器；有限元 ；静力分析 中图分类号 ：T H1

2、 3 2 4 6 文献标志码 ：A文章编号 ： 1 0 0 3 0 7 9 4 ( 2 0 0 8 ) 0 4 0 0 8 1 0 3 Fi n i t e El e m e nt Ana l y s i s f o r Th r e e r i n g Ge a r Re d u c e r Z HA N G X u e y a h。 C A I Y uq i a n g 。 ME N G X i a nj u ( C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g 。H e b e i P o l y t ech n i c

3、 U n i v e r s i ty 。 T a n g s h a n 0 6 3 0 0 9 。C h i n a ) Ab s t r a c t ： A fi n i t e e l e me n t a naly s i s mo d e l f o r t r a n s mi s s i o n s y s t e m o f t h r e e -r i n g g e a r r e d u c e r i s b ui l t i n AN - S Y S e n v i r o n me n t T h e n the s t a t i c s a n a l y s

4、 i s i s c a r ri e d o u t t o o b t mn the r e a c t i o n a c t i n g o n ma i n p a r t s s u c h a s i n t e mal ge a r s an d s h a f t b e a r i n g s Th e e x p e rime n t res u l t s i n d i c a t e tha t the fin i t e e l e me nt an aly s i s mod e l h as s a t i s f ac t o r y a c c u r a

5、 c y Ke y wo r d s ： thr e e rin g ge ar r e d u c e r ；fin i t e e l e me n t an a l y s i s ；s t a t i c an aly s i s 0 前言 过程 中各个构件的应力、 变形分析 ， 以确定各构件在 三环减速器是一种新型的少齿差内啮合行星齿 不同传动位置时应力分布以及传动系统所受约束反 轮传动装置 ， 具有传动比大 、 承载能力高 、 结构简单 、 力 ， 尤其是每个构件的最大应力 的大小和位置。静 制造成本低等优点 ， 主要应用于矿山、 冶金、 建筑机 力分析的结果对确保三环减速器整体性

6、能具有非常 械等行业。三环减速器传 动部分属于超静定系统 ， 重要 的意义 ， 也是三环减速器优化设计的重要依据。 在分析其力学行为时 ， 必须考虑各构件 的弹性变形 1 有限元模型的建立 协调关系， 而准确建立三环传动系统的变形协调条 三环减速器是由多个零部件组成的齿轮连杆传 件往往有很大难度。因此， 众多文献在分析三环减 动系统， 其装配如图 1 a ) 所示。其工作原理如图 1 速器的力学特性时 ， 都做了一些假设或简化 ， 而这些 ( b ) 所示 ： 由支座 、 输入曲柄轴 、 环板 、 输出轴 、 支撑曲 假设或简化在不同程度上影响了分析的精度。 柄轴等主要部分组成。为了克服死点位

7、置 ， 实际使 本文采用有限元方法对三环减速器整机进行分 用 中采用三相环板并列布置 ， 各环板之间互成 1 2 0 。 析 ， 避开了建立变形协调条件 的难题。对构件传动 相位角。 、 懂 幅 懂 。 懂 采妯 懂 懂 奇、 恤 静懂 峭 、 、 憧 峭 懂 峭 癣懂 峭 窬幔 承峭 峭 寄峭 峭 也 也 幢 毋也 采 峭 峭 也 舒 峭 寄 ， 祭 拳 也 鬯 奈 ， 祭 ， 祭 ， 奈 综上所述 ， 在脱谐度一定条件下 ， 随着阻尼率 d 的增加 ， 故障相和非故障相恢复电压最大在下降 ， 但 阻尼电阻不能取得过大 ， 建议 d选为 1 0 2 0 。 5结语 消弧线圈处于全补偿工作状态

8、时， 电网单相直 接接地电流最小 ， 只剩下 电阻性 电流。以往人们担 心的中性点偏移 电压 过大 ， 会超过规定 的 1 5 ， 实 际上可以通过适 当加大电网的阻尼率 ， 使偏移 电压 降低。从降低 电弧接地 过电压和熄弧效果来讲 ， 消 弧线圈处于全补偿状态也最为有利 ， 若在消弧线圈 两端并一电阻 ， 就更佳 。国内外不少专家 、 学者对消 弧线圈的脱谐度与电弧接地过电压及熄弧效果进行 了大量的理论和实验研究 ， 结论 大体上是相 同的。 消弧线 圈的脱谐度越小 ， 再并以一定 的电阻 ， 无论是 降低 电弧接地过电压的总体水平 ， 还是降低 电弧接 地过电压的频度均是有利的。 参考

9、文献 ： 1 胡天禄 矿井 电网的漏 电保护 M 北京 ： 煤炭工业 出版社 ， 1 9 8 7 2 王崇林 中性 点接地 方式 与消弧线 圈 M 徐州 ： 中国矿 业大学 出 版社 ， 1 9 9 9 3 李润先 中压 电网系统 接地 实用 技术 M 北京 ： 中 国电力 出版 社 ， 2 0 0 1 4 要焕年 ， 曹梅 月 电缆 网络 的中性点接地方式 问题 J 电网技术 ， 2 0 0 3 ， 2 7 ( 2 ) ： 8 48 9 5 N i k a n d e r A， L a k e r v i E 消弧线 圈接地 的中压 电网中熄灭接地 故障 电弧的原理和算 法 A 黄薇 ， 译

10、 4 2 0 C I R E D C ， 1 9 9 7 6 徐浩强 ， 薛 磊 1 0 k V电 网中性 点接 地 的探讨 J 高 电压技 术 ， 1 9 9 3 ( 2 ) ： 5 8 6 1 作者简介 ：张文海 ( 1 9 6 2 一) ， 河北邢 台人 ， 中国矿业 大学信息与 电气工程学院在读博士， 电话： 0 5 1 6 8 3 8 8 5 6 0 5 ， 电子信箱： c u m a i 1 2 6 C O I n 一 8l 一 收稿 日期 ： 2 0 0 8 。 O 1 1 6 维普资讯 http:/ 基于 A N S Y S 的三环减速器有限元分析张雪雁， 等 第 2 9 卷第

11、 4 期 ( a ) 【 b J 图 1 三环减速器装配图和工作原理图 1 第 1 相内齿板2 第 2 相内齿板3 第 3 相内齿板4 第 2 支 撑轴承5 偏心套6 、 1 5 输 出轴7 、 1 6 支 承轴8 第 4支撑 轴 承9 支承轴行星轴 承1 0 第 3支撑轴承1 1 输入 轴行星轴 承 1 2 第 1 支撑轴承1 3 、 1 4 输入轴1 7 支承轴偏 心套1 8 内齿板 1 9 输入轴偏心套 为便于比较， 本文以实验用三环减速器为例进 行受力分析。其基本参数为 减速器 中心距 口=1 6 0 m n q 。输 入轴直径 3 5 0 m n q ， 长度 2 3 5 5 m n

12、 q ， 材料 d O C r ， 弹性模量 2 1 1 X 1 0 “ P a 。支撑轴直径 3 5 0 m n q ， 长度 1 9 0 0 m n q 。内齿板 厚度 3 5 0 m n q ， 材料 4 5 ， 弹性模量 2 0 9 X 1 0 1 P a 。3 个内齿板之间的间隙 5 0 m n q 。偏心套偏心距 2 0 m n q 。行星轴 承内径 5 0 0 m n q ， 外 径 9 0 0 m n q ， 厚度 3 5 c m m， 弹性模量 3 0 5 7 7X 1 0 蛐P a 。所有材料的泊 松 比为 0 3 ， 密度为 7 8 X 1 0 3 k r Y l 3 。

13、输入扭矩 4 0 0 X 1 1 ) 3 N m。 本文综合考虑各个构件， 建立了内齿板、 高速 轴 、 偏心套 、 行星轴承、 高速轴上的支承轴承组成 的 传动系统的有限元分析模型。建模时， 忽略内齿板 上的轮齿 ， 对于轴承， 忽略其结构细节 ， 用一个力学 性能相似的弹性空心圆柱体代替， 构件之间的连接 关系利用 自由度耦合的概念处理 。考虑到三环减速 器内齿板、 偏心套等实体的表面为曲面 ， 实体形状不 很规则， 选择单元类型为S O L I D 1 8 6 单元。箱体对支 撑轴承的约束， 处理为外侧表面节点的固定约束， 如 图 2所示。输出轴对 内齿板 的约束 ， 处理为内齿轮 齿根

14、尺寸范围内的节点沿切线方 向的固定约束 ， 如 图 3 所示。本文通过将扭矩换算为周向节点力的方 法施加扭矩载荷 。图 4为进行 网格划分后的三环减 速器传动系统的有限元模型。 图2 支撑轴承表面节点的固定约束 1 支撑轴承 的约束 图3 内齿板表面节点的固定约束 1 内齿板 的约束 图 4 三环减速器传动 系统有限元模型 2 静力有限元分析结果 通过有限元分析 ， 得到一个周期内， 各个 主要承 力构件的应力变化情况 。两高速轴上支承轴承 、 y方 向总反力变化规律曲线如图 5 、 图 6 所示。 黧 5 0 蚕 1 ：黧 0 3 o 6 0 9 0l l 5 o 2 1 0 2 4 o 2

15、 7 0 3 0 0 3 3 0 3 6 0 输 入 轴曲柄转角(。 ) 图 5 支撑轴 承 方向总反力 曲线 。叫 。 。 。 。 啪姗 图 6 支撑轴承 y方向总反 力曲线 图 5 、 图 6表明， 三环减速器在运转过程 中作用 于箱体支座的 方向反力要远大于 y方向反力 ， 这 也是引起箱体横向振动的主要原因。 同样 ， 可得 内齿板对外齿轮 的作用力和总 的输 出扭矩变化曲线， 如图 7 、 图 8 所示。 由图7 、 图 8 可知， 一个运动周期 内， 三环减速器的 内齿板所受的载荷( 齿轮啮合力) 是变化的， 各相相位 差接近 1 2 0 “ ， 减速器总的输出力矩也呈周期性波动。

16、 分析表明齿板上的最大 V o n m i s e s 应力发生在齿 啮合位置处( 本文作为约束位置) ， 第 1 相和第 2相 内齿板 3 0 。 位置角时的应力分布云图如图 9和图 1 0 8 2 维普资讯 http:/ 第 2 9 卷第 4 期 基于A N S Y S 的三环减速器有限元分析张雪雁， 等 v 0 1 2 9 N o 4 所示 ， 第 3 相 内齿板 3 0 。 位置角时的应力分布云图如 图 1 1 所示 。 图 7 l 3 5 l 2 0 1 O ； 9 0 量7 5 6 0 4 5 转角 ( 。 ) 内齿板 与输 出轴 的约 束反力 曲线 。 3 0 6o 嚣 ( 加

17、2 4 。 。7 0 。 3 3。 。 60 图 8内齿板对输出轴的总扭矩 曲线 图 9 第 1 相 内齿板 内齿板 3 0 时的 V o n m i s 应 力云图 图 1 0 第 2相内齿板 3 0 时的 V o n m i s e s 应力云图 S E Q V = 4 1 6 0 6 3 9 2 3 实 验研 究 对 1台三环减速器实验样机 的承载能力进行了 实测 ， 经计算输 出扭矩的均值为 2 3 1 9 2 N m。有 限 元分析的扣 最大值为 2 2 6 2 8 1 N m， 与实验扭矩之 间的误差 l 3 9 。 4 结 语 本文对 1 个三环减速器的传动系统进行了有限 元静力

18、分析 ， 通过数据和云图得出了一些分析结果。 ( 1 ) 进行有限元建模时 ， 用一个力学性能相似的 弹性空心圆柱体代替轴承 ， 考虑其弹性变形对传动 系统静力的影响。 ( 2 ) 构件之间的连接关系采用 自由度耦合的概 念处理 ， 进一步接近实际工作情况。 ( 3 ) 将有 限元静力分析的结果与试验数据对 比， 结果表明有 限元分析的结论与实验结果很吻合 。说 明本研究分析的有限元模型是符合实际工况的研究 模型。 ( 4 ) 本研究 的结果将为三环减速器 的优化设计 奠定 良好的基础 。 参 考文献 ： 1 杨建 明， 张策 三 环减速 机 的弹性动力 学分析 J 机械 工程学 报 ， 2

19、O O O ， 3 6 ( 1 O ) 2 朱才朝 三环减速器 的动力学及减振研究 D 重庆 ： 重 庆大学， 1 9 9 9 3 梁永 生 金属 弹性环均载 的两级三环减速机的研究 D 哈尔 滨： 哈尔滨工业大学 ，1 9 9 9 4 梁永 生 三环减速器变形协调条件的确定及其受力分析 J 机械 设计 ， 1 9 9 9 ( 1 o ) 5 张俊 三环 减速 器承载 能力研究 与新 产品系 列设计 D 天 津： 天津大学 ， 2 0 0 4 作者简介：张雪雁 ( 1 9 7 2一) ， 女 ， 河北唐 山人 ， 硕 士， 主要 从 事 C A D C A E方向和机械设计方向的研究 工作 ，

20、 主研完成 了河北省 自然 基金项 目( E 2 0 0 5 0 042 9 ) 和河 北省科 技厅项 目( 0 4 2 1 2 1 1 0 4 ) ， 已发表学 术论文 8 篇 图 1 1 第 3相 内齿板 3 0 。 位置 角时的 V o n m i s e s 应 力云图 收稿 E t 期 ： 2 0 0 7 1 0 2 5 。 。 。 。 g 。 ， 。 。 口 。 。 。 煤 矿 改 造 型 循 环 流 化 床 锅 炉 磨 损 治 理 兖州矿业( 集 团) 公 司南屯煤矿矸石热电厂 1 锅炉为江西锅炉厂的双锅筒横置式 3 5 t h沸腾炉 ， 为了降 低飞灰含炭量和排渣热损失 ， 后

21、 由哈尔滨锅炉厂将锅炉改造为 4 0 t h循环流化床锅炉 ， 但运行 3 5 d 后 出现 受热面泄漏。经过分析研究后提出检修 、 运行的改进措施 ， 取得了良好 的效果。 经过对水冷壁、 风帽和旋风分离器等处磨损的分析 ， 根据产生原因采取了以下应对措施 ： 将水冷壁 防 磨 区域 的防磨护瓦全部卸下， 原先固定防磨护板的开孔全部焊死 ， 重新焊接 Y形销钉 ， 在金属防磨扩瓦上面 浇筑一层厚度 5 5 3 l l i n 的碳化硅非金属防磨材料 。采用金属表面处理技术应用合金粉末氧气 一乙炔喷焊 工艺对膜式水冷壁进行处理 ， 所用合金粉末为镍基合金粉末 ， 喷焊层高度 1 0 0 0 l l i n ， 厚度 1 l l i n 左右。针对 布风板阻力 比设计大 2 0 0 0 P a的情况 ， 对钟罩式风 帽内管切 除 5 0 m l l ， 以降低风速和增大风量 ， 有效地控制 了烟气的流速 、 减小了密相区的高度和分离器的磨损。调整风帽小孔对应角度， 严格按照设计进行找正。 李剑峰供稿 一 8 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 r r 蠹 维普资讯 http:/