基于ANSYS的矿用减速器齿轮箱体的优化设计.pdf

2023.10 矿业装备/1750 引言齿轮减速器作为矿用机械动力系统与工作装置之间的机械传动装置，可用作于矿用机械动力系统与工作装置之间转速匹配和转矩传递效果1。然而结合实际情况来看，矿用机械在实际生产工作中存在煤岩冲击和生产不连续性振动情况，进而导致矿用减速器齿轮箱局部应力不集中，极易引发生产事故情况，不仅会影响企业正常生产工作，还会威胁人员及设备安全，最终影响企业市场核心竞争能力2-4。因此，对矿用减速器齿轮箱体进行优化设计，缓解乃至解决上述问题，有着一定的现实价值。1 矿用减速器齿轮箱体优化设计趋势现阶段，矿用减速器齿轮箱体结构优化设计中常用优化设计方法为静力优化设计方法，主要采用目标函数、约束函数等静力性能指标。此优化设计过程虽然较为简单，易于操作，但由于未考虑到矿用减速器齿轮箱体动力性能指标，例如振动特性指标，使得优化设计结果与矿用减速器齿轮箱体实际存在一定差异5。随着科学技术与机械传动的快速发展，如今矿用减速器齿轮箱体优化设计中也逐步开始考虑动力性指标，并要求优化设计后的矿用减速器齿轮箱体具备结构振动小、噪声小等特征。对此，在设计中应以静力性能为基础，考虑损失约束动力响应等动力性能指标，进而完成结构优化设计。本文将基于此理念完成以下设计。2 基于 ANSYS 的矿用减速器齿轮箱体有限元模型构建在构建有限元模型前，需要通过 Pro/E 软件，结合矿用减速器齿轮箱体实际，构建三维几何模型，该环节主要基于矿用减速器齿轮箱体的设计手册中记录的相关参数，并将相关参数导入到 Pro/E 软件中，以此形成三维几何模型。将矿用减速器齿轮箱三维几何模型导入到 ANSYS 软件中，并在 ANSYS 环境下对三维几何模型进行后处理。在对三维几何模型进行处理时，主要处理内容包括材料属性定义、材料网格划分两部分。其中，材料属性定义主要包括材料选择，材料弹性模量定义、材料泊松比定义、材料密度定义、材料性质定义等。结合实际需要，对该有限元分析模型的材料进行如下定义：Q450钢，其屈服强度为 450MPa，密度 7850kg/m3，弹性模量210GPa，泊松比为 0.30。网格划分则是根据模型有限元分析精度要求自动调整网格密度，选择网格形状。根据实际需求，最终选用自动网格完成，并由此获取到 424277 个节点和 216062个单元，最终所形成的矿用减速器齿轮箱体网格划分模型如图 1 所示。基于ANSYS的矿用减速器齿轮箱体的优化设计戴佳程（山西新元煤炭有限责任公司，山西晋中 045300）摘要：基于矿用减速齿轮箱箱体设计区域，使用 ANSYS 软件构建矿用减速器齿轮箱体有限元模型，并以此为基础，分别从箱体静力分析和箱体模态分析两个角度开展减速齿轮箱体有限元分析。最后，根据有限元分析结果提出矿用减速器齿轮箱体优化设计方案，将此优化设计方案应用于工程实践，进一步检验此优化设计方案的有效性。关键词：矿用减速器；齿轮箱体；优化设计；有限元分析；ANSYS图1 矿用减速器齿轮箱体网格划分模型176/矿业装备 MINING EQUIPMENT装 备3 基于ANSYS的矿用减速齿轮箱体有限元分析3.1 箱体静力分析在对箱体进行前处理后，还需要对模式进行约束加载及载荷加载。在此环节中，结合矿用减速齿轮箱运行特点，对齿轮箱整体的六个运动方向设置为全约束，同时将其载荷设计为 40kN。并应用 ANSYS 软件中的第四强度理论对模型进行静态分析，进而获取到图 2 和图 3 中的有限元分析结果。如图 2 所示，矿用减速器齿轮箱体等效应力最大值为 71.24MPa，而矿用减速器齿轮箱体所采用的材料屈服强度极限值为 450MPa，也就是说现有等效应力最大值小于材料屈服强度极限值。此外，由图 2 可知，矿用减速器齿轮箱体应力分布较为均匀，大部分箱体上的等效应力值均相对较低，最大应力点集中在矿用减速器齿轮箱体两端轴承座上。初步推断，造成这种情况的主要原因是，在矿山环境中，设备经常会受到振动和冲击的影响，这些振动和冲击直接作用于矿用减速器齿轮箱体两端轴承座上，使得应力值偏高。概括而言，虽然矿用减速器齿轮箱体两端轴承座上存在的一定的应力集中问题，但其整体应力较小，且应力场并未发生高度集中。因此，总体来说，矿用减速器齿轮箱体当前强度及性能可以满足齿轮箱体实际应用强度要求，但在结构设计中需要着重考虑应力集中点，及矿用减速器齿轮箱体两端轴承座的结构性能。如图 3 所示，矿用减速器齿轮箱体最大位移值为1.036mm，最大位移点主要集中在矿用减速器齿轮箱体两端轴承座上，此结果与矿用减速器齿轮箱体等效应力分布基本保持一致，说明应力分布与位移分布有着直接关系，即载荷会导致箱体出现变形情况，同时应力的大小也与位移的大小基本呈现出一种正相关的关联。总体来说，矿用减速器齿轮箱体整体位移相对较小，基本上不会对矿用减速器齿轮箱体正常运作造成过多影响，说明矿用减速器齿轮箱体整体刚度性能符合设计要求。3.2 箱体模态分析根据相关理论可知，在通常情况下，模态分析中各模态所对应的权重因子与该模态频率之间呈现出负相关关系，即模态频率越大，该模态所对应的权重因子越小。基于此特点，在模态分析中一般会采用前六阶模态，并获取其所对应的固有频率。就此，在 ANSYS 有限元分析软件中选择模态分析功能，并将有限元分析模型导入其中进行自动计算，得到具体分析结果如图 4 和图 5 所示。如图 4 所示，在第一阶固有振型中，矿用减速器齿轮箱固有频率为 538.63Hz。在此振型下，矿用减速器齿轮箱实际振动呈现出沿 y 轴方向摆动变形，最大位移点集中在矿用减速器齿轮箱上部区域。如图 5 所示，在第二阶固有振型中，矿用减速器齿轮箱固有频率为 551.81Hz。在此振型下，矿用减速器齿轮箱实际振动呈现出沿 y 轴方向摆动变形，最大位移点集中在矿用减速器齿轮箱上部区域。后续四阶固有振型分析过程与第一阶和第二阶固有振型分析过程保持一致，在此将不再另行说明，以下将直接说明分析结果。图2 矿用减速器齿轮箱体等效应力分布云图图3 矿用减速器齿轮箱体等效位移分布云图图4 第一阶振型示意图2023.10 矿业装备/177在第三阶固有振型中，矿用减速器齿轮箱固有频率为 609.97Hz。在此振型下，矿用减速器齿轮箱呈现出上部区域沿 y 轴方向摆动变形情况。在第四阶固有振型中，矿用减速器齿轮箱固有频率为 625.34Hz。在此振型下，矿用减速器齿轮箱呈现出中部区域沿 z 轴方向局部摆动变形情况。在第四阶固有振型中，矿用减速器齿轮箱固有频率为 717.04Hz。在此振型下，矿用减速器齿轮箱呈现出上部区域沿 x 轴方向局部摆动变形情况。在第四阶固有振型中，矿用减速器齿轮箱固有频率为 736.15Hz。在此振型下，矿用减速器齿轮箱呈现出上部区域沿 y 轴方向局部摆动变形情况。总体来说，矿用减速器齿轮箱主要振动模态为前三阶模态，其固有频率分别为 538.63Hz、551.81HzHz 和609.97Hz，其余阶模态的固有频率均超过 625.34Hz，实际箱体振动模态均为局部振动模态。从具体的模态分析结果来看，该矿用减速器各阶的固有频率均与矿用减速器的运行频率（其通常在 450Hz 左右）之间存在着较为显著的差异。因此，该矿用减速器在实际运行过程中，发生共振现象的概率也处于较低水平。4 矿用减速器齿轮箱优化设计及工程应用在矿用减速器齿轮箱优化设计过程中会基于不改变箱体基本结构的前提下，对矿用减速器齿轮箱性能影响较大的参数进行优化完善。通过分析实际情况，并查阅相关参考文献资料后，确定针对矿用减速器齿轮箱的各部分材料厚度进行调整，由此将该优化问题抽象为一个多目标优化问题。在此基础上，针对该问题采用多目标遗传算法予以解决。为兼顾效率和准确性，本次多变量遗传算法在编写代码时，控制编码长度为 20，迭代运算次数则进行 100次，算法中“个体”的交叉和遗传概率分别为 0.7 和0.035，以此运行多变量遗传算法进行求解。基于此理念与方法实施结构优化后，矿用减速器齿轮箱各部分材料厚度调整为 75mm，原本的 5555.5kg 下降至 5197.6kg，可有效降低 6.44%的制造成本，并且通过有限元分析确认优化后设计可以满足矿用减速器齿轮箱基本性能要求。不过有限元分析作为一种理想化分析方法，以此为基础提出结构设计方案将可能会与实际情况存在一定差异。因此，为保障优化方案的有效性，还需要开展工程应用分析。具体工程应用分析周期为六个月，具体工程应用过程完全按照矿用减速器齿轮箱正常应用情况进行，确保最佳模拟效果。通过工程应用模拟后发现，相较于传统矿用减速器齿轮箱结构来说，本文所提出的矿用减速器齿轮箱结构不仅可以有效降低矿用减速器齿轮箱制造成本，还可以保障矿用减速器齿轮箱综合性能和使用寿命，所以相对来说更具应用价值，可在后续矿用减速器齿轮箱结构优化设计中进行参考应用。5 结束语综上所述，本文基于 ANSYS 软件，分别从静力分析和模态分析两个角度对矿用减速器齿轮箱综合结构进行仿真分析，并根据有限元仿真分析结果提出矿用减速器齿轮箱优化设计方案。相较于传统矿用减速器齿轮箱结构设计来说，本文所提出的结构可降低矿用减速器齿轮箱.644%的生产成本，并保障矿用减速器齿轮箱综合性能和使用寿命，所以此矿用减速器齿轮箱结构设计方案更具有效性，值得在后续矿用减速器齿轮箱改进及优化中进行参考应用。参考文献1 张南.基于 ANSYS 的掘进机截割部减速器优化设计 J.煤矿机械,2020(8):186-188.2 孙明明.基于 ANSYS 的液压支架连接头结构优化设计 J.内燃机与配件,2020(18):64-65.3 沈浩,熊禾根.二级行星齿轮减速器齿向修形优化设计 J.组合机床与自动化加工技术,2020(11):150-152+157.4 王继国,李俊源,陈云.大功率矿用减速器箱体结构优化设计 J.机械传动,2020,44(8):108-112.5 徐程兵.SGB420/30 型刮板输送机减速箱体结构优化设计研究 J.机械管理开发,2020,35(10):14-15.图5 第二阶振型示意图