潛油減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)分析

1、西安石油大學(xué)碩士學(xué)位論文潛油減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)分析姓名:許俊如申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專業(yè):機(jī)械電子工程指導(dǎo)教師:徐建寧20070515 第一章潛油減速器盼優(yōu)化設(shè)計(jì)行星架、內(nèi)齒圈、行譬輪軸以及軸承等。為了進(jìn)行軸、軸承以及各個(gè)齒輪的強(qiáng)度計(jì)算和校核,需要分析行星齒輪傳動(dòng)中各構(gòu)件的負(fù)荷情況。在分析計(jì)算中假設(shè)各個(gè)行星輪的載荷均勻相等,這樣可以簡(jiǎn)化阿題,只需要分析一個(gè)行星齒輪的受力情況即可,其他情況類同(略去摩擦力。各構(gòu)件在輸入轉(zhuǎn)矩作用下處于平衡狀態(tài),構(gòu)件閫的作用力等于反作用力。2.8潛油減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件潛油減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件通過(guò)VB來(lái)實(shí)現(xiàn),如圖抖圖214,該軟件的具體功能如下:1圖卜9為潛油減速器優(yōu)化

2、設(shè)計(jì)軟件的進(jìn)入界面; |鳘|卜9優(yōu)化軟州界面幽2一10優(yōu)化軟件J.作界面 圖2_11優(yōu)化軟件1:作界面圖212優(yōu)化軟件r佧界面蹦安彳i油人學(xué)碩十學(xué)位論文 圖2一13優(yōu)化軟件丁作界面圖214優(yōu)化軟件工作界面2圖卜10為潛油減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的功能界面,包括有傳動(dòng)類型的選擇、配齒計(jì)算、計(jì)算齒輪的主要參數(shù)、峨合參數(shù)計(jì)算、幾何尺寸計(jì)算、裝配條件驗(yàn)算、傳動(dòng)效率計(jì)算、齒輪強(qiáng)度校核、傳動(dòng)比分配這幾個(gè)主要功能;3圖21l為潛油減速器二級(jí)部分己知條件得輸入界面,其中主要包括:輸入轉(zhuǎn)速、輸m轉(zhuǎn)速(傳動(dòng)比、功率、工作要求、工況要求,材料等;4圖2一12為潛油減速器傳動(dòng)比的分配界面;5圖2一13為潛油減速器二級(jí)部分主

3、要參數(shù)的計(jì)算;6圖2一14為潛油減速器二級(jí)部分齒輪接觸強(qiáng)度和齒根彎曲強(qiáng)度校核。本軟件簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)了潛油減速器的優(yōu)化計(jì)算,但參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算結(jié)合matlab的優(yōu)化工具箱提供的函數(shù)更簡(jiǎn)潔方便,本軟件簡(jiǎn)潔明了,可以很直觀的表現(xiàn)結(jié)果,通用性強(qiáng),更改方便?？梢詫?shí)現(xiàn)本潛油減速器的參數(shù)計(jì)算和強(qiáng)度梭核,而且對(duì)于行星齒輪傳動(dòng)的減速器具有很好的參考價(jià)值,町以根掘具體傳動(dòng)形式的不同進(jìn)行添加和改進(jìn)。2.9小結(jié)根掘潛油減速器的工況特點(diǎn),選用2K-H類NGW型行星齒輪傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)減速器。通過(guò)模糊優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化參數(shù),得到潛油減速器具體參數(shù),潛油減速器二級(jí)部分的輸入轉(zhuǎn)速為62"1.158r/min,傳動(dòng)比i=3.4783

4、(輸fH轉(zhuǎn)速178.58r/rain,輸入功率為37KW,得到潛油減速器二二紱部分的具體參數(shù),為下邊的動(dòng)力學(xué)分析提供了實(shí)體基礎(chǔ)。第三章潛油減速器系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型第三章潛油減速器系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型潛油減速器系統(tǒng)即行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊,體積小,傳動(dòng)效率高,功率大,是一種廣泛應(yīng)用的齒輪傳動(dòng)形式。圖卜1圖_2是潛油行星減速器二級(jí)部分,由太陽(yáng)輪、內(nèi)齒圈、行星架和五個(gè)行星輪組成。任何一個(gè)太陽(yáng)輪、內(nèi)齒圈、行星架都可作為輸入或輸出構(gòu)件。系統(tǒng)中同時(shí)存在內(nèi)、外嚙合齒輪副,功率經(jīng)多個(gè)行星輪既分流又匯流而同軸輸出,且存在行星架的動(dòng)坐標(biāo)系,因此其動(dòng)態(tài)特性遠(yuǎn)較其他齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜。本章主要建立行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,

5、并對(duì)模型中各參數(shù)的計(jì)算進(jìn)行了討論和研究,為后面進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析提供基礎(chǔ)。 圖3一l二級(jí)行星齒輪減速器圖 圖32二級(jí)減速器裝配模型部分圖 第四章潛油減速器系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析 圖42二級(jí)減速器有限元網(wǎng)格在完整地建立了二級(jí)潛油減速器系統(tǒng)后對(duì)有限元分析中不考慮或?qū)Ψ治鲇绊懮跷⒌慕Y(jié)構(gòu)特征進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。該潛油減速器系統(tǒng)由太陽(yáng)輪、行星輪、內(nèi)齒圈和行星架組合而成,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,建模時(shí)不考慮內(nèi)齒圈與箱體、齒輪軸與軸承接合部的影響。這些處理不會(huì)對(duì)齒輪箱體的重量及剛度產(chǎn)生大的影響,完全能保證足夠的計(jì)算精度。由于齒輪模型在建模過(guò)程中加以簡(jiǎn)化,雖然不會(huì)影響動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果,但由于其嚙合關(guān)系對(duì)模態(tài)分析時(shí)的振型有一定影響,因此

6、,還必須保證嚙合齒輪對(duì)在對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)切向和徑向上變形協(xié)調(diào)。對(duì)潛油減速器系統(tǒng)劃分有限元網(wǎng)格后,還必須對(duì)整個(gè)網(wǎng)格模型進(jìn)行檢查,從而保證計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。首先檢查自由單元邊,當(dāng)單元的某一邊不在其它一單元之內(nèi)時(shí),稱為自由單元邊。在復(fù)雜模型的建立過(guò)程中,通過(guò)拉伸旋轉(zhuǎn)等操作產(chǎn)生的各個(gè)部件,有時(shí)會(huì)沒(méi)有連接在一起,這將導(dǎo)致有限元模型丌裂,影響計(jì)算結(jié)果,嚴(yán)重時(shí)將使計(jì)算失敗。其次檢查重復(fù)單元、重復(fù)節(jié)點(diǎn),根掘情況決定是否將它們合并在一起。最后檢查單元的劃分質(zhì)量,檢查單元法向是否一致、單元的長(zhǎng)寬比、翹曲度、傾斜角以及錐度等指標(biāo),由于過(guò)度扭曲的單元將影響計(jì)算精度,因此必須并將其修改為可以接受的形狀。模念分析的建模過(guò)

7、程與其他分析的建模過(guò)程相類似,但在模態(tài)分析中應(yīng)注意兩個(gè)問(wèn)題:模態(tài)分析屬于線性分析,即在模態(tài)分析過(guò)程中只有線性行為是有效的,如果在分析中指定了非線性單元,程序在計(jì)算過(guò)程中將忽略其非線性行為并將該單元作為線性單元處理。例如,如果分析中包含接觸單元,則剛度矩陣在分析過(guò)程中處于初始狀態(tài)并保持不變。在模念分析中,材料的性質(zhì)可以是線性的、非線性的、恒定的或與溫度有關(guān)的。在分析中必須指定彈性模量EX和密度DENS,但非線性性質(zhì)將被忽略。4.3潛油減速器系統(tǒng)的模態(tài)分析在建立潛油減速器系統(tǒng)的有限元模型,并進(jìn)行網(wǎng)格劃分后,對(duì)潛油減速器系統(tǒng)進(jìn)行加載和求解,首先進(jìn)行模念分析設(shè)置,定義分析類型為模態(tài),采用Block L

8、anczos法提取模態(tài),先提取潛油減速器系統(tǒng)的10階頻率和主振型;然后進(jìn)行邊界條件的設(shè)置,對(duì)于本 第四章潛油減速器系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析表41二級(jí)減速器前15階固有頻率和振型模態(tài)固有頻率(Hz振型10內(nèi)齒圈軸向彎曲、徑向膨脹DMX=1.277 20行星架徑向膨脹DMX-0.69 30內(nèi)齒圈軸向彎曲、徑向膨脹DMX=1.174 40行星輪徑向膨脹DMX=2.38 50行星架徑向彎曲膨脹DMX-0.652 6O內(nèi)齒圈徑向彎曲膨脹DMX=I.301 733內(nèi)齒網(wǎng)軸向振動(dòng)DMX=0.924 838行星輪軸軸向彎曲DMX=3.479 940行星架徑向膨脹、軸向彎曲DMX=0.915 1045行星輪軸徑向彎曲D

9、MX=1.639 1130內(nèi)齒圈徑向膨脹扭曲DMX=1.406 1233內(nèi)齒圈軸向膨脹DMX=1.383 1338行星架徑向膨脹DMX=0.939 1441太陽(yáng)輪軸徑向膨脹彎曲DMX=1.525 1545行星輪軸徑向彎曲DMX=3.973圖4-_3第一階圖45第三階37圖44第二階 圖4_一6第四階曲安II油人學(xué)碩十學(xué)位論文 第四章潛油減速器系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析 圖417第十五階由結(jié)果并結(jié)合振動(dòng)理論可知,結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)對(duì)振動(dòng)響應(yīng)影響較大,高階模態(tài)的影響很小,在工程應(yīng)用中,可以忽略不計(jì)。本文在計(jì)算時(shí),只取了潛油減速器系統(tǒng)的前15階固有模態(tài)作為分析對(duì)象,從模態(tài)分析的結(jié)果可以看出,內(nèi)齒圈和行星架是系統(tǒng)中

10、振動(dòng)較劇烈的薄弱環(huán)節(jié),行星輪軸的徑向振動(dòng)在第八階逐漸顯示出來(lái),也是潛油減速器中應(yīng)該重點(diǎn)考慮的,他可以與行星架一起進(jìn)行考慮。因此在潛油減速器設(shè)計(jì)過(guò)程,應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)齒圈,行星架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核,動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算。4.5小結(jié)通過(guò)對(duì)潛油減速器二級(jí)部分進(jìn)行模態(tài)分析,得出了影響系統(tǒng)振動(dòng)的前15階頻率和振型,其中前6階為剛體模態(tài),不起作用,從第7階到15階為實(shí)際模態(tài),對(duì)系統(tǒng)起作用。由于本系統(tǒng)最大輸入轉(zhuǎn)速為621.158r/min,對(duì)應(yīng)得頻率遠(yuǎn)小于實(shí)際模態(tài)對(duì)應(yīng)得頻率,從而得出系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生共振,系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。曲安打油人學(xué)碩十學(xué)位論文第五章潛油減速器關(guān)鍵零件的有限元分析本文結(jié)合Pro/E和Ansys進(jìn)行實(shí)體建

11、模和有限元分析,首先利用Pro/E建立潛油減速器關(guān)鍵零件:齒輪軸和行星架的三維實(shí)體模型,然后通過(guò)軟件專用數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入Ansys,對(duì)潛油減速器關(guān)鍵零件齒輪軸和行星架進(jìn)行有限元分析。建立的實(shí)體模型如圖: 圖51齒輪軸的實(shí)體模型圖53行星輪的實(shí)體模型圖52內(nèi)齒圈的實(shí)體模型 圖54行星架的實(shí)體模型 圖55行星輪軸的實(shí)體模型圖56二級(jí)減速器裝配模型40第五章潛油減速器關(guān)鍵零件的有限元分析 圖5-7二級(jí)減速器裝配模型部分圖5.1潛油減速器齒輪軸的有限元分析5.1.1潛油減速器齒輪軸的靜力學(xué)分析1潛油減速器幾何參數(shù)潛油行星減速器主要幾何參數(shù)確定如表卜1:2齒輪軸有限元分析齒輪軸的材料為45CrNiMoVA,

12、左端齒輪齒面滲碳淬火,齒面硬度HRC=58,-62,查表可以確定接觸疲勞極限為仃日抽=1500MPa,彎曲疲勞極限應(yīng)力為d,=450MPm花鍵部分表面高頻淬火HB32瞻360,齒輪軸其余部分滲碳淬火硬度為HRC40HRCA2“”。齒輪軸的輸入功率從右端花鍵端輸入,功率為37KW,材料的彈性模量為2.06Ell,泊松比為0.3,材料的密度為7800kg/m3,齒輪軸的結(jié)構(gòu)如圖卜8所示:齒輪中心輪行星輪中心輪齒數(shù)231757模數(shù)(mm222齒寬(mm494949分度圓直徑(4634114圖58齒輪軸結(jié)構(gòu)圖功率從右端花鍵輸入轉(zhuǎn)矩,功率為37kw,輸入轉(zhuǎn)速為621.158r/rain,;左端為齒輪,西

13、安石油大學(xué)碩士學(xué)位論文通過(guò)與行星輪嚙合,行星輪架輸出動(dòng)力。3建立齒輪軸有限元模型在建立齒輪有限元物理模型前,基于彈性理論,為了簡(jiǎn)化問(wèn)題求解,提出如下假設(shè):(1齒輪材料是各向同性的。(2齒輪材料是連續(xù)的、均勻的。(3齒輪齒面接觸線上各點(diǎn)的變形均沿齒廓表面的法線方向。(4齒輪接觸載荷沿齒面法線方向。(5不計(jì)算齒輪嚙合時(shí)齒面上的摩擦力。4實(shí)體建模根據(jù)以上主要幾何參數(shù),利用pro/e建立潛油減速器齒輪軸三維實(shí)體模型。然后,通過(guò)專用數(shù)據(jù)接13導(dǎo)入ANSYS。建立的實(shí)體模型如圖卜_9: 圖59齒輪軸實(shí)體模型5模型的網(wǎng)格劃分確定有限元單元網(wǎng)格時(shí)主要考慮對(duì)計(jì)算精度的要求。計(jì)算齒形的復(fù)雜程度及計(jì)算時(shí)間等諸多因素

14、,ANSYS程序?yàn)橛脩籼峁┝硕喾N三維有限元網(wǎng)格劃分模式,同時(shí)可以人為地控制實(shí)體網(wǎng)格單元大小和疏密程度.在齒輪受力較大的部分應(yīng)將網(wǎng)格加密,以便提高計(jì)算精度。針對(duì)潛油減速器實(shí)際情況,本文中采用智能網(wǎng)格劃分,由于節(jié)點(diǎn)多,計(jì)算量大,不宜采用過(guò)細(xì)的網(wǎng)格,在此采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行劃分,網(wǎng)格劃分如圖510: 圖5一l0齒輪軸的有限元網(wǎng)格 西安石油大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖5-11齒輪軸的節(jié)點(diǎn)位移云圖圖5-12齒輪軸的VonMises應(yīng)力云圖5.1.2潛油減速器齒輪軸的模態(tài)分析Ansys模態(tài)分析用來(lái)在一個(gè)結(jié)構(gòu)或者一個(gè)機(jī)器構(gòu)件的設(shè)計(jì)時(shí)確定它的自振頻率和振型,模態(tài)分析也可以作為更詳細(xì)的動(dòng)力分析的前奏,比如瞬態(tài)動(dòng)力分析,諧

15、譜相應(yīng)分析或譜分析。Ansys的模態(tài)分析是一個(gè)線性分析,因此在模態(tài)分析中,任何非線性特性,例如塑性和接觸單元,即使定義了也會(huì)被忽略。Ansys提供了7種模態(tài)分析方法,他們分別是子空f(shuō)BJ法、分塊Lanczos方法、PowerDynamics方法,縮減法、非對(duì)稱法、阻尼法和QR 阻尼法?？梢詫?duì)有預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和對(duì)循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析1。1模態(tài)分析過(guò)程:(1模態(tài)分析的定義及應(yīng)用模態(tài)分析用于確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)械部件的振動(dòng)特性,即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型,他們是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。在進(jìn)行譜分析或用模態(tài)疊加法求諧響應(yīng)和瞬態(tài)分析的時(shí)候,模態(tài)分析時(shí)必不可少的。Ansys可以對(duì)預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)進(jìn)

16、行模態(tài)分析,比如對(duì)一個(gè)旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片進(jìn)行模態(tài)分析。另外,對(duì)于一個(gè)循環(huán)對(duì)稱的模型,可以只對(duì)其一部分進(jìn)行建模,而察看整個(gè)對(duì)稱模型的模態(tài)形狀。(2建模首先,指定工程名稱和分析標(biāo)題,然后在前處理中定義單元類型,單元實(shí)常數(shù),材料性質(zhì)和模型集合性質(zhì),建立模型中注意以下幾點(diǎn):模態(tài)分析中只包括線性行為的分析。模態(tài)分析中材料模型可以是線性的、各向同性的或各向異性的、恒定的或溫度相關(guān)的。但是必須定義楊氏模量EX或其他形式的硬度以及密度DENS或其他形式的質(zhì)量。Ansys在模態(tài)分析中,非線性總是被忽略。如果施加單元阻尼,必須定義這些特定單元的所需實(shí)常數(shù),比如COMBIN7,COMBINl4,COMBIN37單元等。

17、(3加載及求解這一步要定義分析類型和分析選型,施加加載,指定加載步選項(xiàng),然后進(jìn)行有限元第五章潛油減速器關(guān)鍵零件的有限元分析計(jì)算求解固有頻率。在求解結(jié)束后,要擴(kuò)展模態(tài)以便觀察。(4觀察結(jié)果經(jīng)過(guò)模態(tài)擴(kuò)展以后的模態(tài)分析結(jié)果被寫(xiě)入到結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果文件中去,其中包括:固有頻率、擴(kuò)展模態(tài)形狀、相對(duì)應(yīng)力和力的分布。2齒輪軸的模態(tài)分析結(jié)果齒輪軸的模態(tài)分析結(jié)果如下圖及表54:圖7.13一階應(yīng)力圖圖5一15二階位移圖517三階應(yīng)力圖514一階位移圖圖516二階應(yīng)力圖 圖518三階位移婀安_i油人學(xué)碩十學(xué)位論文 圖519四階位移圖520四階應(yīng)力 圖521五階應(yīng)力圖522五階位移表54齒輪軸的頻率及主振型模態(tài)同有頻率(Hz振刪1825齒輪軸末端左右搖擺,DMX=O.521e-42830齒輪軸術(shù)端上卜I搖擺,DMX-O.520e.432154齒輪軸前端左也搖擺,DMX-O.153E.442171齒輪軸前端上F搖捏,DMX=0.153E.454466齒輪軸術(shù)端蛇形彎曲,DMX=O.63e.5模念分析結(jié)果表明,齒輪軸的輸入端和齒輪動(dòng)力輸出端是很容易引起振動(dòng)的地方,出于本潛油行星減速系統(tǒng)的大功率、低轉(zhuǎn)速、大扭矩的特點(diǎn),因此要合理設(shè)計(jì)齒輪軸的懸臂粱的長(zhǎng)度,以免振動(dòng)過(guò)大,即合理設(shè)計(jì)軸肩的位置,使振動(dòng)最小。3潛油