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結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究對(duì)象是某型礦用齒輪箱，采用多級(jí)混合式行星傳動(dòng)，由于傳動(dòng)比大采用3級(jí)增速，前二級(jí)為行星傳動(dòng)和輸出級(jí)采用平行軸傳動(dòng)，行星傳動(dòng)采用太陽(yáng)輪浮動(dòng)的2K-H(NGW)型，行星輪采用3個(gè)，這樣的行星傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、均載效果好的特點(diǎn)，礦用多級(jí)混合式行星傳動(dòng)圖。參數(shù)確定根據(jù)經(jīng)典機(jī)械設(shè)計(jì)理論計(jì)算得出相應(yīng)的齒輪參數(shù)，建立模型根據(jù)齒輪箱的實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)，在Pro/E中建立多級(jí)混合式行星齒輪的參數(shù)化模型，得到的整體模型如圖所示。
齒輪強(qiáng)度計(jì)算是根據(jù)齒輪可能出現(xiàn)的失效形式來(lái)進(jìn)行的，輪齒的主要失效形式是齒面接觸疲勞點(diǎn)蝕和輪齒彎曲疲勞折斷，而多級(jí)混合式行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)在工作過(guò)程中內(nèi)齒圈最容易發(fā)生損壞，本研究著重對(duì)內(nèi)齒圈進(jìn)行模態(tài)分析和靜強(qiáng)度分析，首先建立內(nèi)齒圈的有限元分析模型。利用Pro/E參數(shù)化建立內(nèi)齒圈模型，以Parasolid，x_t格式導(dǎo)入Patran軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于內(nèi)齒圈的邊緣不規(guī)整，自動(dòng)生成的網(wǎng)格有太多的不規(guī)范，嚴(yán)重影響了解算的精度和速度，采用手動(dòng)劃分網(wǎng)格，基本思路：內(nèi)齒圈是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建對(duì)稱體的網(wǎng)格(對(duì)稱體要分兩部分分別創(chuàng)建網(wǎng)格)，再進(jìn)行鏡像處理，則整個(gè)網(wǎng)格就劃分好了。具體操作：(1)邊緣部分的網(wǎng)格劃分先用Paver創(chuàng)建內(nèi)齒圈邊緣的上表面四邊形網(wǎng)格，根據(jù)所建網(wǎng)格曲率半徑在邊緣曲線上撒下網(wǎng)格種子(保證部分網(wǎng)格關(guān)聯(lián))，再由Sweep/Element/Extrude沿Z軸負(fù)向拉伸至主體表面成為六面體網(wǎng)格；(2)主體部分的網(wǎng)格劃分用Paver創(chuàng)建主體表面的四邊形網(wǎng)格，在網(wǎng)格種子的作用下，創(chuàng)建的網(wǎng)格和邊緣面平移的網(wǎng)格是對(duì)齊一致的，將合起來(lái)的四邊形網(wǎng)格拉伸至整個(gè)內(nèi)齒圈的中間面，上部分的整體網(wǎng)格就劃分好了；(3)鏡像處理創(chuàng)建中間面的幾何坐標(biāo)系，以該坐標(biāo)系的z軸法向量作為鏡像面，Transform/Element/Mirror：得到整個(gè)內(nèi)齒圈的網(wǎng)格，保證了模型生成規(guī)整的六面體網(wǎng)格；(4)優(yōu)化網(wǎng)格用Equivalence消除接合面上的重復(fù)節(jié)點(diǎn)，用Verify檢驗(yàn)?zāi)Ｐ妥杂蛇叀?nèi)齒圈的有限元模型如圖所示，其單元數(shù)為53570，節(jié)點(diǎn)數(shù)為661350多級(jí)混合式行星傳動(dòng)系統(tǒng)在工作過(guò)程中各部件受力比較復(fù)雜，其中內(nèi)齒圈不僅受到齒輪的嚙合力，還受到機(jī)體的約束反力。
內(nèi)齒圈的主動(dòng)力為齒輪嚙合力，施加在內(nèi)齒圈的各承載輪齒上，而機(jī)體約束反力應(yīng)作為約束處理。內(nèi)齒圈與3個(gè)行星輪嚙合，嚙合的齒之間有力傳遞，嚙合力會(huì)使內(nèi)齒圈產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，內(nèi)齒圈的瞬時(shí)受力情況如圖所示，為了便于觀察，受力齒輪處作了放大處理，F(xiàn)的方向與接觸齒面垂直，在施加載荷時(shí)將嚙合力加在分網(wǎng)時(shí)在齒嚙合位置處的一排節(jié)點(diǎn)上，保證其真實(shí)性，其中各行星輪的嚙合力嚙合力均布在嚙合線上的，將分布力按照集中力來(lái)施加，即在作用面的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上施加一個(gè)集中力(其值為受力除以作用面上的節(jié)點(diǎn)數(shù))，則每個(gè)節(jié)點(diǎn)上載荷內(nèi)齒圈的約束是靠螺栓與機(jī)體聯(lián)接，采用多點(diǎn)約束技術(shù)模擬螺栓約束，MPC是將節(jié)點(diǎn)的依賴自由度定義為其他若干節(jié)點(diǎn)獨(dú)立自由度的函數(shù)，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)自由度的耦合，即將螺栓孔內(nèi)表面的運(yùn)動(dòng)與一個(gè)控制點(diǎn)相耦合。基本思路：內(nèi)齒圈螺栓孔有24個(gè)，對(duì)其中一個(gè)進(jìn)行MPC處理，其他進(jìn)行旋轉(zhuǎn)復(fù)制。具體操作：創(chuàng)建一個(gè)組，將操作全部放在組里，創(chuàng)建螺栓孔的中心，此點(diǎn)作為控制點(diǎn)，Create/MPC/Explicit將螺栓孔內(nèi)表面與該控制點(diǎn)耦合，并給控制點(diǎn)施加固定約束，然后將這個(gè)組旋轉(zhuǎn)復(fù)制23次。對(duì)控制點(diǎn)施加約束來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬機(jī)體對(duì)內(nèi)齒圈的約束，如圖所示。
模態(tài)分析內(nèi)齒圈的材料為45鋼，彈性模量為2.1xe5MPa，泊松比0.3，密度為7.8xe3kg/m3。低階模態(tài)對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)影響較大，在計(jì)算時(shí)只考慮前10階頻率與振型，用上述參數(shù)對(duì)有限元模型進(jìn)行屬性定義，通過(guò)Patran/Nastran進(jìn)行模態(tài)分析，分析結(jié)果如表，模態(tài)振型圖略。通過(guò)模態(tài)檢驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，就是分析固有頻率與外界激勵(lì)的頻率是否耦合發(fā)生共振，設(shè)計(jì)的風(fēng)輪工作轉(zhuǎn)速在1024.78r/min，相對(duì)應(yīng)的工作頻率為0.167，0.413Hz，由求解得到的模態(tài)可知，此風(fēng)輪頻率在第3階和第4階頻率之間，且與前3階差距很大，內(nèi)齒圈不會(huì)與外界激勵(lì)發(fā)生共振，內(nèi)齒圈是穩(wěn)定的，符合工作要求。
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