密煉機減速箱箱體設計中有限元法的應用

吳俊功，張 津，孫 齊

（大連橡膠塑料機械股份有限公司，遼寧 大連 116300）

密煉機減速箱箱體設計中有限元法的應用

Application of fi nite element method in design of reducer casing for mixer

吳俊功，張 津，孫 齊

（大連橡膠塑料機械股份有限公司，遼寧 大連 116300）

利用有限元法計算密煉機減速箱箱體的應力與應變，對箱體的應力與應變大的位置進行結構優化，再運算對比，最終得到優化的減速箱箱體結構。

密煉機；減速箱；箱體；有限元；最大拉應力；總變形；bearing load ；ANSYS Workbench

密煉機是橡膠制品廠，尤其是輪胎廠的重要設備，主要用于膠料的熱煉、混煉及終煉。特點是低速重載、沖擊大,工作時平均功率低于額定功率，但尖峰負載超過額定功率的2倍。由于減速器箱體結構的復雜性，傳統的計算方法難以對箱體的強度和剛度進行精確計算與校核，為了保證減速箱的可靠性及安全性，減速箱的箱體設計趨于保守，減速箱箱體的壁厚等一般比較厚，減速箱的質量占密煉機的比重較大。隨著有限元技術的發展，應用有限元軟件，建立箱體的三維實體模型，對箱體各部分的應力分布、變形等進行詳細的計算、分析、比較，從而對箱體的結構進行優化，這樣既保證減速箱箱體的強度和剛度滿足要求，又降低箱體的質量和成本。

1 建立模型

在對減速器箱體進行有限元分析時，首先建立相應的實體模型，在模型建立之前，為了節約網格劃分和計算時間，對箱體進行一定的簡化，將其中上下箱體的螺栓孔、瓦蓋和瓦座螺栓孔等進行省略，考慮到軸向力的存在，保留端面螺栓孔，基于以上思想在UG中建立模型，通過parasolid格式導入ANSYS Workbench，減速器箱體模型如圖1所示。

由于ANSYS Workbench自動識別所有接觸表面，經過檢查，上、下箱體和軸承座的接觸均為綁定。箱體的材料選用的是HT200,在有限元分析中假設材料為線彈性材料，材料的力學性能按常溫下選取如表1。

圖1 箱體模型

表1 常溫下HT200力學性能表

2 邊界條件

減速器箱體與地基座通過10個地腳螺栓連接，在這里將這10個螺栓孔施加全約束，限制了箱體的位移，這與實際工況相符。箱體所受到的載荷在這里我們通過計算軸承所承受的支反力可以求得。

減速器單輸入雙輸出，三級減速，主要技術規范如下：輸入功率2 550 kW，輸入轉速1 500 r/min，減速比25，前后轉子的輸出轉速均為60 r/min。在計算箱體載荷時，要注意到的是減速箱的輸出端前轉子和后轉子的功率的分配比是1:1，可以求得箱體所受到的載荷，如表2、圖2所示。

表2 箱體受到的徑向載荷

圖2 箱體徑向載荷圖

在計算箱體載荷時，將箱體受到的軸向載荷通過Bearing load施加到箱體的軸承座上，如表3、圖3所示。

表3 箱體受到的軸向載荷

3 分析結果

經過計算，可以得到最大拉應力云圖，如圖4所示，應變云見圖5。

計算結果：

（1）通過箱體的應力云圖可以看到箱體的平均應力不大，各軸承座處的應力在20 MPa左右；其中前面兩輸出軸軸承座筋板處在32 MPa左右，相對較大。最大拉應力在短輸出端后面的軸承座處（主要由齒輪的軸向力造成），為68.395 MPa，HT200的抗拉強度σb=130 MPa，安全系數1.9倍。

圖3 箱體軸向載荷圖

圖4 最大拉應力云圖

圖5 應變云圖

（2）通過箱體的應變云圖可以看到箱體整體總變形不大，主要是由軸向力產生，最大值出現在輸出軸前段軸瓦和軸承座處，變形值0.12 mm。

4 優化結構后，計算根據機械設計計算手冊，箱壁的厚度δ=0.025a +5=24，（a為第三級中心距），此箱體的壁厚是30 mm。根據以上計算結果進行優化結構：

（1）減少箱壁的厚度，將箱體的厚度由30 mm減少到24 mm；

（2）從增加箱體剛度的角度出發，在軸瓦和軸承座處增加筋板，同時在箱蓋第二級大齒輪處拉一個筋板;

（3）在以上計算最大拉應力處（輸出端后軸承座處），將軸承座厚度增大，由80 mm增大到120 mm。

經過計算，可以得到最大拉應力云圖，如圖6所示，應變云見圖7。

TQ330.43

1009-797X(2015)13-0068-02

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.13.022

吳俊功，男，高級工程師，1995年畢業于大連大學機械工程系，主要從事傳動裝置的設計與研發工作，已發表論文10余篇。

2015-01-14