板帶冷軋機主減速器設計及殼體有限元分析

劉曉雯，彭 帥，卜 勻

（1.唐山學院機電工程系，河北唐山063000；2.唐山愛信齒輪有限責任公司生產技術部，河北唐山063000）

板帶冷軋機主減速器設計及殼體有限元分析

劉曉雯1，彭 帥2，卜 勻1

（1.唐山學院機電工程系，河北唐山063000；2.唐山愛信齒輪有限責任公司生產技術部，河北唐山063000）

通過板帶軋機的工作參數，選取了主減速器的傳動方案及對主要零部件進行了設計，利用三維軟件完成了殼體的三維造型，并利用有限元分析軟件ANSYS對減速器殼體進行靜力分析，得出了殼體整體變形情況。

板帶冷軋機；主減速器殼體；有限元分析；靜力分析

0 引言

軋機是軋制生產線上的重要單體設備，而減速器是軋機傳動系統的重要組成部分。隨著軋制速度和強度的不斷提高，軋機傳動系統頻繁出現異常扭振失穩現象，造成軋機部件疲勞損傷、使用壽命降低，進而影響軋制產品質量和生產效率。因此作為軋機傳動系統的重要組成部分，減速器的設計尤為重要［1］，對改善軋機的性能與使用壽命具有重大的意義。本文針對減速器進行了結構設計并以減速器的殼體為主要研究對象，利用三維軟件為殼體進行三維建模，并利用有限元分析軟件ANSYS對殼體三維模型進行靜力分析，考察殼體整體的受力變形情況。

1 減速器的設計

1.1 傳動方案的分析與擬定［2］

傳動由電機通過聯軸器傳至減速系統，傳動系統由兩對斜齒輪的嚙合達到要求的轉速，傳動方案較為合理。板帶軋機的傳動方案見圖1。

圖1 板帶軋機的傳動方案

1.2 電動機的選擇［3］

根據電動機所需功率和同步轉速，查得電動機技術數據及總傳動比如表1所示。

表1 電動機技術數據及計算總傳動比

1.3 齒輪的設計及計算

減速器的設計選用標準斜齒圓柱齒輪傳動［4］。根據總傳動比為3.4，分配到各級傳動比：高速級的傳動比為2.14，低速級的傳動比為1.5。經過齒輪傳動的設計計算出αn＝20°，齒頂系數標準值c＊＝0.25，齒根高系數標準值han＊＝1，其他參數如表2所示。

表2 齒輪的主要參數

1.4 軸的設計及計算

1.4.1 各軸運動和動力參數計算

通過各計算公式可求得各軸的轉速、輸入功率和輸入轉矩，如表3所示。

表3 各軸運動及動力參數

說明：Ⅰ和Ⅱ軸之間的傳動比為2.14；Ⅱ和Ⅲ之間為1.59；Ⅲ和Ⅳ之間為1。

1.4.2 軸的結構與尺寸

根據尺寸要求可知Ⅰ軸應做成齒輪軸，選擇調心滾子軸承24160型；II軸的軸承選擇23173型；Ⅲ軸選擇23172型號的軸承。軸的結構及尺寸如圖2，3，4所示。

圖2 Ⅰ軸的結構及尺寸

最后對軸承和軸都進行了校核，均滿足使用要求。

其他：鍵選擇平鍵；減速器箱體采用焊接的方法來拼焊。

圖3 Ⅱ軸的結構及尺寸

圖4 Ⅲ軸的結構及尺寸

2 殼體有限元分析

2.1 三維造型

三維設計是當今機械設計的趨勢，它既有直觀的優點，還能為有限元分析、運動分析等打下基礎。

根據以上對減速器各部件的結構設計，以及其裝配后的尺寸，可以設計合適的殼體，其焊接三維模型如圖5所示。

圖5 殼體的焊接三維模型

2.2 劃分網格

材料屬性：板塊的材料為Q235B，其機械性能為：E＝2.06×1011Pa，μ＝0.25，ρ＝7.85g/cm3，σs＝235MPa。

板塊的網格分布見圖6。

2.3 約束及載荷

根據板塊在工作中的位置，板塊工作時是固定的，所以在板塊底面位置上添加全約束，其余各面都可能向各個方向發生變形［5］。在與軸承接觸的圓弧面上添加由齒輪傳到軸承上的載荷，將齒輪上的扭矩轉換為單位面積上的載荷，將此扭矩轉換為力，再用力除以板塊上的半圓柱形面積，大圓弧上的作用力為F大＝7 639N，小圓弧上的作用力為F小＝20 561.5N。在大圓弧上的載荷為0.033MPa，小圓弧載荷為0.297MPa。

圖6 板塊的網格分布圖

2.4 分析結果

靜力分析結果如圖7，8所示。

圖7 板塊等效應力分布圖

圖8 板塊等效應變分布圖

圖9是板塊的等效應力分布曲線，采集曲線時所用的節點都在板塊的承載面上。觀察圖所示的曲線可知板塊受力存在一主峰值，結合采集曲線時的路徑（從左上角向右沿輪廓線），橫向絕對坐標值分別：120.994，241.988，362.982，483.976，604.970，725.964，846.958，967.952，1 088.946，1 209.940，峰值大小為1.069MPa發生在板塊圓弧的偏左側。

圖10是板塊的等效應變分布曲線，曲線采集方法與等效應力分布曲線的采集方法相同。從此曲線可以得知最大應變和應力發生在同一位置，等效應變為5.190×10－6。

圖9 板塊等效應力分布曲線

圖10 板塊等效應變分布曲線

3 結果與討論

對減速器進行設計，通過校核各零件都符合使用要求和結構要求。

對減速器殼體進行有限元分析可知：從圖7可得，板塊所受的最大應力為1.189MPa，最大應力出現在小圓弧左側底部；在大圓弧上最大應力的位置和小圓弧的方位一樣，其最大應力為0.528 8MPa。板塊所采用的材料為Q235B，其屈服極限為σs＝235MPa，兩圓弧所受到的應力遠遠小于材料的屈服極限，所以板塊的安全系數極高，滿足使用要求。

綜合分析以上圖片和曲線，應力、應變值不是沿著板塊輪廓呈線性變化，而是呈現時大時小，這與板塊的形狀有關，由于應力、應變曲線非常相似，可以得知應變隨應力而變化，等效應力越大的地方等效應變也越大。

［1］ 鄒家祥.軋鋼機械［M］.3版.北京：冶金工業出版社，2000.

［2］ 林怡青，謝宋良，王文濤.機械設計基礎課程設計指導書［M］.北京：清華大學出版社，2008.

［3］ 傅知蘭.電力系統電氣設備選擇與使用計算［M］.北京：中國電力出版社，2004：105.

［4］ 孫志禮，冷興聚，魏嚴剛.機械設計［M］.沈陽：東北大學出版社，2000：57－89.

［5］ 張永棟，謝小鵬.基于有限元方法的齒輪接觸仿真分析［J］.潤滑與密封，2009，34（1）：49－51.

（責任編校：李秀榮）

Finite Element Analysis on Shell and the Design of Main Reducing Gear of Cold Strip Tandem

LIU Xiao－wen1，PENG Shuai2，BU Yun1

（1.Department of Electromechanical Engineering，Tangshan College，Tangshan 063000，China；2.Tangshan Aixin gear Company Limited，Tangshan 063000，China）

Through working parameters of the strip mill，this article selects the transmission scheme of the main reducing gear and designs the main components of the reducer.Three－dimensional modeling is designed based on the three－dimensional software.In addition，the static analysis is conducted in the main reducing gear shell using the finite element software ANSYS.Therefore，the optimal design of the shell is worked out.

cold strip tandem；main reducing gear shell；finite element analysis；static analysis

book=14,ebook=14

TH132.46

A

1672－349X（2012）03－0082－03

2012－04－06

劉曉雯（1983－），女，河北唐山人，講師，碩士，主要從事機械制造研究。