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CAE/模拟仿真 |
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工业减速机领域的CAE技术应用 |
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作者：SEW-工业设备（天津）有限公司 魏伟 来源：MM现代制造 |
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工业减速机在关系国计民生的各行各业中有着非常广泛的应用，为保证生产生活能够正常进行起着举足轻重的作用。随着各行各业的不断发展，对工业减速机也提出了更新更高的要求，在开发新的工业减速机产品的过程中，由工业减速机体积大、成本高、新产品须迅速响应市场等特点，决定了在工业减速机设计过程中需要CAE技术的有力支持。而如何在模拟过程中处理典型的结构、合理地设置边界条件并准确地模拟减速机的工作情况是一个不断探索与不断积累的过程。这里将介绍工业减速机在进行CAE模拟时几种典型边界情况的处理方式以及减速机箱体的分析结果。
工业减速机主要应用在包括煤矿、电厂和航空航海等一切与传动相关的领域，其工作的环境一般较为复杂，温度、气压、振动和粉尘等都对减速机的正常运转提出了考验。工业减速机属于大型设备，起到了十分重要的作用，一旦出现工作不正常或者失效的情况，后果将不堪设想。这就要求所设计的减速机结构合理，能够安全可靠地在多种复杂工况和恶劣环境下正常工作。
减速机的各级齿轮通过轴与轴承固定在减速箱的箱体上。工业减速机一般都会传递较大的功率与扭矩，因此，在各齿轮啮合传动的过程中，相互之间就会产生较大的切向力、径向力与轴向力，这些力通过各个轴承传递到箱体上使箱体受力变形。以下将通过Ansys Workbench对箱体的受力和变形情况进行模拟。
减速机箱体应力和变形的计算
减速机的3D模型由Solidwork建模获得。因为箱体由上下两个部分组成，需要通过螺栓预紧固定，并且减速机底部也需用地脚螺栓固定，因此需将螺栓在箱体的相应位置上创建出来。例如，箱体材料为HT200时，杨氏模量110GPa，泊松比0.3。模拟计算工作在HP XW9300工作站上进行，采用高阶的网格单元划分形式，3D模型共离散为185209个节点和95777个单元，如图1所示。
图1 网格划分
典型边界条件的处理
本例中作为分析对象的工业减速机箱体主要由上箱体和下箱体两部分组成，上下箱体合箱后通过定位销限定了4个方向的自由度，并通过合箱螺栓预紧。上下箱体的结合面为分箱面，其受力变形的情况是影响减速机工作的重要因素；箱体主要受到的是轴承所传递的轴承力和螺栓预紧力，这些边界条件在模拟过程中的处理将进行详细介绍。
1.分箱面
分箱面是减速机上下箱体的接触面，在分箱面中有阻止上下箱体产生相对运动的定位销。定位销限制了上下箱体5个方向的自由度，其中若定位销的高度在宏观尺度上与箱体比较无法限制箱体倾覆，应当忽略定位销，留下螺栓预紧，将接触形式定义为粗糙接触。
若定位销的高度在宏观尺度上与箱体比较能够限制箱体倾覆，应当保留定位销，上下箱体通过螺栓预紧，将各个面的接触形式定义为无摩擦接触。
这样一来，或简化或最接近真实情况地定义了分箱面的接触形式。由于上下箱体的分箱面同时受合箱螺栓预紧与轴承力作用，分箱面会在轴承力作用下产生“开裂”变形，这类复杂的非线性问题使用Augmented Lagrange方程求解能得到更精确的后处理结果。
减速箱箱体受到的主要载荷为轴承力与螺栓预紧力。其中，轴承力的作用区域不会完全覆盖整个轴承座，当轴承宽度大于轴承座宽度2/3时，可将轴承力的作用区域定义为整个轴承座；否则需要将轴承实际作用的区域划分出来，并在所划分的区域定义轴承力。
上下箱体通过螺栓预紧的方式固定，螺栓拧入下箱体，以预紧力通过肩部压住上箱体。在Workbench环境中进行模拟，容易产生应力奇异的区域是螺栓的肩部与螺栓孔相应端面的接触区域。避免应力奇异的方法一是将螺栓孔边缘倒圆角，并在此区域细化网格进行模拟计算；方法二是将螺栓肩部以及螺栓的未拧入螺杆部分与其相应的接触面定义为“No Separation”，此种方法能得到最接近理论值的螺栓预紧情况。
2.计算结果
工业减速机由于工况较为复杂恶劣，可能会工作在非正常负载下，因此需要对可能产生的极限工况进行模拟，以判断是否能满足异常工作的要求。异常工作载荷与正常工作载荷的比例系数依用途及使用要求而定。
定义好边界条件的箱体在轴承力为主的各载荷作用下受力变形，其变形和等效应力的情况如图2所示。
图2 箱体的变形趋势
（1）变形。其中分箱面产生的最大开裂约为0.15mm。如表所示，减速箱箱体在可能产生的极限载荷作用下产生的最大变形量约在0.6mm的水平。
（2）等效应力。箱体受到的等效应力分布情况如图3所示，最大的等效应力出现在螺栓预紧的位置，其应力水平约为300MPa；其它较大的应力主要集中在低速轴的轴承座附近，应力水平不超过200MPa；起支承与加强作用各种薄板结构受到的应力水平不高于130MPa。由计算所得的应力情况可以预测箱体能够正常工作在可能出现的异常功率下，能够满足日常工作要求。
图3 箱体的等效应力情况
随着科技的发展，CAE技术已经开始在各行各业中起着越来越重要的作用。在工业减速机领域有效准确地对减速机工作情况进行计算模拟，能更好地指导设计，有效避免产生重大的事故与损失，同时也能更快地响应市场需要，满足各行业个性化的需求，有效节省新产品的开发成本，大大提高企业的市场竞争力。工业减速机领域的模拟经验需要不断地积累并通过工程实践不断修正，现在还没有一套权威的准则来对模拟结果进行评价，特别是工业减速机的变形问题，各种工况下什么区域多大的变形范围能保证机器正常运转，而什么范围容易产生故障等都是需要不断探究的问题。只有这样才能使CAE技术更好地指导实践，为现代工业的发展作出更大贡献。(end)
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(8/31/2010) |
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