基于ANSYS的工業減速機箱體結構有限元分析方法

孫 友

（天津機電職業技術學院，天津 300350）

1 工業減速機的結構特點

工業減速箱是重型機械的重要驅動部件，承載著多個重載齒輪、齒軸合軸承的支撐與定位作用。在傳統計算中，一般只考慮減速箱在無合箱螺栓的載荷下對箱體變形的影響。在實際工作中，合箱螺栓是連接和承載箱體變形的重要連接部件，因此，合箱螺栓的受力會直接影響減速機箱體的受力和變形，從而直接影響齒輪的嚙合精度，導致齒輪傳動面受力不均，造成傳動失效、可靠性低等問題。因此，減速機箱體的計算必須添加合箱螺栓才能保證箱體在實際工況下具有足夠的剛性去承受力和力矩的作用，防止變形，保證傳動質量[1]。這是一種雙入雙出的重載工業減速機，輸入功率為700kW。該減速機結構能夠傳遞較大的輸出扭矩，承載較大。

2 工業減速機箱體分析

2.1 擰緊螺栓理論受力分析

承受預緊力和工作載荷的緊螺栓連接，這類螺栓在安裝時需要預緊，預緊使得螺栓被拉伸、被連接件被壓縮，螺栓承受的拉力和被連接件承受的壓力F0為預緊載荷。當連接承受工作載荷Fe后，螺栓被進一步拉伸、被連接件被放松，螺栓承受的拉力由F0增加到F，而被連接件承受的壓力F0減少為殘余預緊力Fr。根據機械設計理論，力F和Fr的大小可由式（1）及式（2）計算得到[2]：

2.2 減速機箱體建模

考慮到箱體結構的復雜性，應先利用三維建模軟件建立箱體的實體模型（見圖2），再導入至有限元分析軟件中建立箱體的有限元模型。在solidworks環境下建立減速箱地實體模型，通過實體模型的建立能直接導入到有限元模型中進行有限元分析計算。

圖2 箱體三維模型

3 減速機箱體有限元計算

3.1 材料性能參數

材料性能參數，如表1所示。

表1 箱體材料屬性

3.2 有限元模型及邊界條件

根據減速箱箱體的復雜程度，精度要求及計算求解時間等實際因素，采用3D 10節點六面體單元對箱體進行網格劃分。輸入功率700kW，安全系數為2.5，計算箱體軸承孔受力，并添加合箱螺栓M30（8.8級）、M42（8.8級）。根據以上載荷情況，建立箱體有限元模型（見圖3）。

3.3 分析計算結果

有限元分析變形結果如圖4和圖5所示。

箱體的受力變形計算結果可知，添加螺栓箱體的最大變形值為0.643mm，不添加螺栓箱體的最大變形值為0.344mm，最大的變形位置是軸承孔。添加螺栓箱體的最大變形量是不添加螺栓箱體的最大變形的2倍，可知箱體的連接螺栓對于箱體的變形影響較大，而且在分析實際問題時，可以應用這種方法找出解決方案。

圖4 不添加螺栓箱體變形圖

圖5 添加螺栓箱體變形圖

4 結論

針對工業減速機箱體存在的變形問題，應用有限元分析方法，對不同箱體結構進行有限元分析，給出箱體的受力分布情況，計算出箱體在添加合箱螺栓和不添加合箱螺栓的兩種不同模型下箱體的位移云圖。研究結果表明，工業減速機箱體變形會受到合箱螺栓的較大影響，這種分析方法能夠為解決實際問題提供有效依據。

[1]高旭，曾國英.螺栓法蘭連接結構有限元建模及動力學分析[J].潤滑與密封，2010，35（4）：68-71.

[2]高耀東．ANSYS Workbench 機械工程應用精華30例[M]．北京：電子工業出版社，2013：99-100.