車(chē)載鉆機(jī)ATB260角齒輪傳動(dòng)箱的輸出軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 峰 毛 杰 梁存真

（鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

車(chē)載鉆機(jī)ATB260角齒輪傳動(dòng)箱的輸出軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 峰 毛 杰 梁存真

（鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

車(chē)載鉆機(jī)需要大功率、大轉(zhuǎn)矩且高轉(zhuǎn)速的輸出，這就要求齒輪箱能夠滿(mǎn)足這樣的要求，除對(duì)齒輪有嚴(yán)格的要求之外，還需對(duì)軸進(jìn)行分析，軸的好壞直接關(guān)系著齒輪箱傳動(dòng)質(zhì)量的好壞，而以往傳統(tǒng)的ATB260車(chē)載鉆機(jī)角齒輪箱直齒傳動(dòng)的輸出軸，習(xí)慣性地設(shè)計(jì)成在軸上有一段凹處，這就大大降低了軸的強(qiáng)度以及軸的安全系數(shù)，并且使軸的變形量增加，本文在Solidworks Simulation的環(huán)境下，對(duì)輸出軸進(jìn)行分析，對(duì)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)上的軸和經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后的軸在應(yīng)力、合位移及應(yīng)變上的區(qū)別。

ATB260車(chē)載鉆機(jī)；齒輪箱；優(yōu)化設(shè)計(jì)；輸出軸；有限元

ATB260車(chē)載鉆機(jī)齒輪箱功率大、轉(zhuǎn)速大、扭矩大、體積較大、質(zhì)量較重［1］，本文討論改變?cè)械脑O(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)后的設(shè)計(jì)之間的區(qū)別，因?yàn)樵X輪箱的中心距較小，使得錐齒輪和下面的輸出軸干涉，這樣會(huì)降低軸的強(qiáng)度。因此，通過(guò)擴(kuò)大兩圓柱齒輪的中心距，使得錐齒輪與下面的輸出軸即不發(fā)生干涉，同時(shí)把軸凹處做直。那么把軸放在有限元分析軟件環(huán)境中進(jìn)行分析，可以對(duì)比發(fā)現(xiàn)優(yōu)化過(guò)后軸總變形量和安全系數(shù)的變化［2］。

該軸作為輸出軸，其作用是把輸入扭矩轉(zhuǎn)為輸出扭矩，將輸入功率通過(guò)齒輪的嚙合傳遞出去，這就要求軸有較高的抗彎曲強(qiáng)度和抗拉伸的強(qiáng)度，以及抗剪切應(yīng)力的強(qiáng)度［3］，尤其是在大功率、大扭矩的齒輪箱傳動(dòng)中，對(duì)軸的強(qiáng)度要求更為明顯。

輸入功率是P=950kW，輸入扭矩T=33 000N·m，輸出端聯(lián)接氣胎聯(lián)軸器，軸中間的孔可以通氣，保證氣胎聯(lián)軸器的正常工作。

以往的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)再校核較復(fù)雜［4］，因此我們采用Solidworks Simulation進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)對(duì)比同類(lèi)型材料的不同尺寸對(duì)軸的影響，以及相同規(guī)格尺寸的軸使用不同材料時(shí)的影響，并分析不同的孔徑對(duì)軸的影響。

1 輸出軸結(jié)構(gòu)

1.1 受力分析

軸的受力情況如圖1所示：

圖1 軸的受力分析圖

齒輪上的徑向力、切向力和扭矩如下：

Fr=54 386.357N，F(xiàn)t=149 425.29N，T=33 000N·m輸出阻力矩T=-33 000N·m（負(fù)號(hào)表示方向與輸入扭矩相反）。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

用Solidworks建立輸出軸的三維實(shí)體模型，生成兩個(gè)軸，一種是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)上的軸，如圖2-3，另一種是優(yōu)化過(guò)后的軸，如圖4-5。

圖2 優(yōu)化前軸的外部造型

圖3 優(yōu)化前軸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖4 優(yōu)化后軸的外部造型

圖5 優(yōu)化后軸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 輸出軸有限元分析過(guò)程

2.1 定義材料屬性

分別定義輸出軸的材料是45、40Cr及20CrMnTi，材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)［5］如表1所示：

表1 材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)

2.2 添加約束

在輸出軸的左端支撐外圓柱面施加限制6個(gè)自由度的約束，在右端支撐外圓柱面施加限制4個(gè)自由度，保留軸向的自由度和切向的自由度，模擬軸的約束情況。

2.3 施加載荷

在齒輪與軸的配合外表面上施加扭矩T和徑向力Fr，以及在氣胎離合器與軸配合外表面上施加阻力矩T，模擬軸的受力情況。

2.4 劃分網(wǎng)格

為提高計(jì)算精度，采用二階實(shí)體四面體單元［6］對(duì)輸送輥實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，每個(gè)四面體單元有4個(gè)角點(diǎn)和6個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度。

2.5 運(yùn)行算例

兩軸以材料為40Cr，內(nèi)孔為Φ20為例，在相同地輸入扭矩T、徑向力Fr以及相同的約束條件下，在Solidworks Simulation中選擇解算器FFEPlus［7-8］，分別運(yùn)行以上設(shè)置的不同設(shè)計(jì)方案的靜態(tài)算例，計(jì)算完成后得到各算例的應(yīng)力、位移和應(yīng)變分析結(jié)果及相應(yīng)的云圖譜。圖6、圖7及圖8分別應(yīng)力云圖、合位移云圖、應(yīng)變?cè)茍D的對(duì)比。

圖6 優(yōu)化前后軸的應(yīng)力云圖

圖7 優(yōu)化前后軸的合位移URES云圖

圖8 優(yōu)化前后軸的應(yīng)變ESTRN云圖

3 結(jié)果分析

3.1 優(yōu)化前后曲線(xiàn)對(duì)比分析

選用扭矩T=29 000～37 000N·m，其他條件不變時(shí)對(duì)優(yōu)化前后兩軸進(jìn)行有限元分析，得出結(jié)果，匯總數(shù)據(jù)并繪出曲線(xiàn)圖可得圖9、圖10及圖11：

對(duì)比優(yōu)化前后兩軸的數(shù)據(jù)可知：

①?gòu)膱D6中可看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在右端支承軸與氣胎離合器配合軸段的交接處，對(duì)比危險(xiǎn)截面應(yīng)力曲線(xiàn)，所有設(shè)計(jì)方案下輸出軸的最大應(yīng)力均遠(yuǎn)小于許用值，即滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。那么，由圖9可知，未優(yōu)化的軸的應(yīng)力在各扭矩輸入值不同的情況下都是大于優(yōu)化過(guò)的軸的，可知優(yōu)化過(guò)的軸會(huì)使最大應(yīng)力值減小。

②從位移云圖7中看出，最大位移出現(xiàn)在軸身的最右端，應(yīng)力和撓度均與實(shí)際情況相吻合，從圖10中可以看出軸結(jié)構(gòu)改變對(duì)合位移的作用較小，未優(yōu)化的軸的合位移比優(yōu)化過(guò)的合位移略大。

圖9 優(yōu)化前后兩軸的扭矩-應(yīng)力變化曲線(xiàn)

圖10 優(yōu)化前后兩軸的扭矩-合位移變化曲線(xiàn)

圖11 優(yōu)化前后兩軸的扭矩-應(yīng)變變化曲線(xiàn)

③從應(yīng)變?cè)茍D8可以看出，最大應(yīng)變也發(fā)生在右端支承軸與氣胎離合器配合軸的交接處。而從圖11可以看出軸結(jié)構(gòu)的改變對(duì)應(yīng)變的影響也是很小的，優(yōu)化過(guò)的軸的應(yīng)變比未優(yōu)化的略大。

由上述內(nèi)容可以看出，扭矩T取29 000～37 000N時(shí)，結(jié)構(gòu)的改變對(duì)軸危險(xiǎn)截面上的最大應(yīng)力有較大的影響，而對(duì)合位移和應(yīng)變無(wú)較大的影響，說(shuō)明在材料相同、受力一定的情況下，優(yōu)化后的軸更好。

3.2 優(yōu)化后材料不同時(shí)的數(shù)據(jù)及分析

以?xún)?yōu)化后的軸為研究對(duì)象，取三種材料45、40Cr、20CrMnTi，將得出的有限元分析數(shù)據(jù)列表，見(jiàn)表2～表4所示：

表2 扭矩變化時(shí)不同材料軸的最大應(yīng)力σmax（單位：MPa）

表3 扭矩變化時(shí)不同材料軸的合位移URES（單位：mm）

表4 扭矩變化時(shí)不同材料軸的應(yīng)變ESTRN（單位：mm）

表5 內(nèi)孔變化時(shí)40Cr軸的應(yīng)力、合位移及應(yīng)變量

由表2～表4中數(shù)據(jù)可知鋼材料在扭矩取29 000N～ 37 000N時(shí)，不同的材料對(duì)σmax、合位移URES、應(yīng)變ESTRN均無(wú)較大影響，說(shuō)明結(jié)構(gòu)鋼都能滿(mǎn)足該軸的傳動(dòng)特性，但是也可以看出40Cr的性能更好一些，最大應(yīng)力合位移，應(yīng)變都較小，因此材料選用40Cr。

3.3 優(yōu)化后內(nèi)孔直徑不同時(shí)的數(shù)據(jù)及分析

以40Cr材料優(yōu)化后的軸為研究對(duì)象，取內(nèi)孔Φ10、Φ 15、Φ20、Φ25mm、Φ30、Φ35，對(duì)這三根軸進(jìn)行有限元分析有，T=33 000N·m，結(jié)果如表5所示：

由以上數(shù)據(jù)對(duì)比可知，孔的大小對(duì)合位移影響顯著，而軸取Φ25mm時(shí)軸的應(yīng)力、應(yīng)變最小。

3.4 軸內(nèi)孔直徑的確定

因?yàn)檩S的材料已經(jīng)確定，可知孔越大，軸的質(zhì)量越小，然而當(dāng)超過(guò)Φ25時(shí)，軸的最大應(yīng)力和應(yīng)變都顯著上升，反而影響了軸的強(qiáng)度，那么當(dāng)孔徑為Φ25時(shí)，相對(duì)原軸的Φ20孔，既節(jié)省了材料，又具有更好的性能。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)利用Solidworks Simulation有限元虛擬仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的設(shè)計(jì)手段，對(duì)ATB260車(chē)載鉆機(jī)的角齒輪箱的直齒傳動(dòng)的輸出軸優(yōu)化前后加載時(shí)的扭矩與其應(yīng)力、合位移、應(yīng)變的關(guān)系進(jìn)行了分析探討。通過(guò)對(duì)優(yōu)化后軸的材料及內(nèi)孔直徑進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，提出當(dāng)軸內(nèi)孔為Φ25、材料為40Cr時(shí)，過(guò)渡軸為直軸的輸出軸為最佳的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性，并實(shí)現(xiàn)體積小、質(zhì)量輕的目標(biāo)。

［1］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本（機(jī)械傳動(dòng)）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［2］王勖成.有限單元法［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

［3］劉鴻文.材料力學(xué)（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［4］王三民.機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

［5］宋小龍，安繼儒.新編中外金屬材料手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［6］陳超祥，葉修梓.Solidworks Sim?ulation基礎(chǔ)教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［7］韓志仁，陶華，黃赟.機(jī)械設(shè)計(jì)中有限元分析的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2004（4）：58-60.

［8］戰(zhàn)紅，趙偉民.物探鉆孔機(jī)立柱的有限元分析［J］.油氣田地面工程，2004（60）：47-48.

StructureOptim ization Design of theOutput Shaftof the AngleGear Box of Truck M ounted Drilling Rig ATB260

Li Feng Mao Jie Liang Cunzhen
（SchoolofMechanicalEngineering，Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001）

Truck mounted drilling rig needsan outputwith high power，high torque and high speed，which requires the gear box tomeet this requirement.In addition tomeet the strict requirement of the gear，it is necessary to ana?lyze the shaft，because the shaft is directly related with the quality of gear box transmission quality.However，tra?ditional design used to have a recess in a spur gear transmission output shaft.This greatly reduces the shaft strength and safety factor of shaft，and the deformation of shaft increases，This article is based on the Solidworks Simulation，where the output shaft is analyzed.We compared the differences in the stress，displacement and strain between the utraditional shaftand optimized shaft.

ATB260 truck mounted drilling rig；gear box；optimization design；outputshaft；finite element

TH122；TH123

A

1003-5168（2015）05-0060-4

2015-4-10

李峰（1963-），男，技師，研究方向：機(jī)械制造工藝。