基于NX Nastran的礦用井下裝載機變速器有限元分析

摘 要：本文以礦用井下裝載機變速器為研究對象，主要基于有限元方法對變速器進行數(shù)字化建模，并對變速器零部件的結(jié)構(gòu)強度和動態(tài)特性進行有限元分析，通過應力圖和云圖找出結(jié)構(gòu)設計的問題所在，對相關(guān)結(jié)構(gòu)直接進行改進，滿足井下復雜工況下的應用。

關(guān)鍵詞：井下裝載機；變速器；有限元分析

礦用井下裝載機是一種一種矮車身、中央鉸接、前段裝載的裝、運、卸聯(lián)合作業(yè)設備。動力傳動系統(tǒng)是車輛中最復雜和關(guān)鍵的系統(tǒng)之一，也一直是車輛工程中的前沿、關(guān)鍵技術(shù)和亟待解決的重要科學研究對象。本文主要應用UG軟件二次開發(fā)對變速器箱體、漸開線斜齒輪和軸類零部件進行實體建模，并進行模擬裝配。然后應用NX Nastran進行變速器箱體的結(jié)構(gòu)強度和動態(tài)特性的求解分析。

隨著我國采礦工業(yè)的發(fā)展，對井下采礦和運輸機械設備的需求量越來越大，在技術(shù)和可靠性上的要求也進一步提高。為縮小與國外產(chǎn)品差距、加快工程機械自主化研發(fā)速度、提高我國井下裝載設備的設計和制造水平、提高采礦生產(chǎn)率和降低成本，本文以井下裝載機傳動核心—動力換檔變速器為研究對象。動力換檔變速器在特定的工作環(huán)境和裝載工況下頻繁換擋，變速器的工作性能和可靠性決定了整機的性能和壽命，所以對變速器的研究至關(guān)重要。

1 變速器模型的建立

1.1 變速器的介紹

本文是以井下裝載機、鏟運機的定軸式動力換擋變速器，是應用于非公路工作條件下的變速器，其強度和可靠性高的特點適用工程機械的工況多、載荷大、在工作過程中頻繁的變換檔的工作環(huán)境。因此該類型變速器在地下裝載機中廣泛應用。該液力變速器由液力變矩器、動力換擋變速箱（變速箱箱體、前殼和齒輪離合器部件）、操縱閥等部分組成。該變速器的軸系是定軸式布置的，這樣就減小了箱體的軸向尺寸，使軸部件的布置更加緊湊，且符合箱體內(nèi)部空間的要求。總機在工作過程中需要降軸且為四驅(qū)，即前后橋都需要動力輸出，定軸式變速器滿足這一要求。

1.2 變速器的數(shù)字化建模

變速器箱體是鑄造件，其中箱體壁有很多油路且其壁厚度不一，導致箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，增加了測繪的難度。為了能夠得到準確的模型，測繪時首先使用三坐標測量機來測量其關(guān)鍵位置的定位，測量得到關(guān)鍵位置的坐標參數(shù)。將多次的測量的結(jié)果進行裝配，最后得到箱體的整體測量的主要數(shù)據(jù)即點云。將測量結(jié)果保存為*.igs文件，導入UG中進行箱體主要面和基準的完善和建模。

2 變速器主要零部件建模

井下裝載機/鏟運機用變速器中安裝的多為漸開線變位斜齒輪，所以變位齒輪的設計建模是我們面臨的首要問題。本文應用UG NX7.0的實體造型、編輯和布爾運算功能，并選擇UG提供的Grip作為二次開發(fā)工具，根據(jù)設計中齒輪的法面齒數(shù)、模數(shù)、壓力角等重要參數(shù)自動生成三維模型。

3 變速器零部件的結(jié)構(gòu)強度有限元分析

3.1 變速器箱體結(jié)構(gòu)強度分析

箱體靜力分析主要是應用NX Nastran基本模塊進行求解。Nastran靜力分析主要是求解結(jié)構(gòu)與時間無關(guān)或時間作用效果可忽略的靜力載荷（包括集中載荷、分布載荷、溫度載荷、慣性載荷等）作用下的響應，得出所需節(jié)點的位移、節(jié)點力、約束反力、單元內(nèi)力、單元應力和應變能等。變速器箱體是鑄造件，結(jié)構(gòu)復雜，其表面不規(guī)則曲面較多，因此需要簡化箱體結(jié)構(gòu)，并定義材料屬性及網(wǎng)格劃分，箱體受荷載分析，添加約束和荷載，得到其應力應變云圖。

根據(jù)箱體的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，可以作如下改動：將箱體軸承座孔處壁厚加厚，其他部位減薄。改進后箱體滿足強度條件，且應力分布更均勻，箱體重量減輕。分析結(jié)果顯示箱體改進方案有效可行。

3.2 輸出軸的有限元分析

對變速器的輸出軸進行結(jié)構(gòu)分析，包括靜力分析和疲勞分析，在一檔工況時，變速器箱體會承受較大的載荷并產(chǎn)生較大的應力和變形。

3.2.1 輸出軸的靜力分析

由應力圖可以看出最大應力為45.5MPa，出現(xiàn)在軸承端面兩側(cè)；由位移圖可以看出紅色出為最大位移值為9.604×10.-3mm。因此，最大應力<[σ]，變形位移也較小，所以輸出軸強度足夠。

3.2.2 輸出軸疲勞特性分析

由疲勞安全因子云圖看出輸出軸的破壞疲勞壽命最大為10.36次，最小處也為6.4×10.12次，所以都在設計壽命之外，絕對安全。

4 結(jié)論

本文應用三維建模軟件UG完成了對井下裝載機變速器逆向設計，建立了變速器的三維模型；使用有限元分析軟件NX Nastran對變速器的箱體和主要零部件的結(jié)構(gòu)強度和動態(tài)特性進行了研究。通過對箱體，齒輪，軸等部分關(guān)鍵部件進行分析可知，該研究方法對于結(jié)構(gòu)分析快速有效，且通過云圖可以直接找出結(jié)構(gòu)設計的問題所在，對相關(guān)結(jié)構(gòu)直接進行改進優(yōu)化，滿足井下復雜工況下的應用。

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作者簡介：東鑫淵（1988-），男，漢族，陜西西安人，碩士，西安思源學院工學院講師，主要研究方向：車輛工程。