基于ANSYS Workbench的攪拌主機(jī)減速器箱體優(yōu)化設(shè)計(jì)

張承信

（徐州徐工施維英機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221004）

0 前言

混凝土攪拌站中攪拌主機(jī)上使用的減速機(jī)為整個(gè)攪拌系統(tǒng)的核心部件，其運(yùn)行的安全性、可靠性直接影響到整個(gè)攪拌站的運(yùn)行，因此對減速機(jī)的可靠性具有較高的要求。減速機(jī)箱體承受著較大的軸承載荷以及自身和電機(jī)的重量，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法多基于經(jīng)驗(yàn)或按照類比法設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)為了安全起見往往通過增加壁厚將安全系數(shù)加大，從而使得減速箱的結(jié)構(gòu)越來越笨重[1]。本文采用 ANSYS Workbench 有限元分析軟件對原減速箱進(jìn)行分析，以期達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)、減小應(yīng)力、降低重量的目的。

1 減速器箱體有限元模型的建立及分析

1.1 箱體模型的建立與簡化

由于箱體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開用 ANSYS 建模較困難，本文利用 Pro/E 建立箱體三維實(shí)體模型，其中箱體由主箱體和箱蓋組成，它們之間由螺栓連接。在建模過程中忽略了模型中對整個(gè)箱體結(jié)構(gòu)有限元分析影響較小但又耗費(fèi)較多計(jì)算機(jī)資源的小特征，如螺紋孔、油孔、倒角、小凸臺及小圓角等，并假設(shè)箱體之間是剛性連接[2]。

1.2 箱體材料屬性的確定

箱體材料選擇具有較好的強(qiáng)度、減振性以及具有鑄造性能的 HT250，其泊松比為 μ=0.27，彈性模量 E=1.55×105MPa，密度 ρ=7.0×10-6kg/mm3。

1.3 箱體的有限元網(wǎng)格劃分

利用 Pro/E 軟件與 ANSYS 軟件接口將簡化后的模型導(dǎo)入到 ANSYS 中。由于箱體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對箱體采用自由網(wǎng)格劃分方法，同時(shí)對箱體上軸承孔處受力復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化，以期獲得更好的應(yīng)力分布，箱體劃分后單元數(shù)為 176262，節(jié)點(diǎn)總數(shù) 292494 個(gè)。箱體的有限元模型如圖 1 所示。

圖 1 減速機(jī)箱體有限元模型

1.4 施加約束和邊界條件

邊界條件的施加與工程實(shí)際是否一致將直接影響計(jì)算的準(zhǔn)確性。對箱體進(jìn)行分析，箱體的底部處于完全約束狀態(tài)，箱體可以通過中間兩軸承孔進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，約束中間兩軸承孔的旋轉(zhuǎn)自由度，使其僅能進(jìn)行圓周旋轉(zhuǎn)。考慮減速機(jī)自重、電機(jī)重量及各軸承孔處的徑向力對模型施加載荷。

1.5 計(jì)算結(jié)果及分析

箱體的應(yīng)力分布及變形云圖如圖 2 和圖 3 所示。從圖中可以看出箱體的最大應(yīng)力為 38.14MPa，產(chǎn)生在箱體第三級軸承孔處，此應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料的抗拉強(qiáng)度 240MPa，箱體設(shè)計(jì)過于保守。箱體的最大變形量為0.0507mm，同樣位于第三級軸承孔處。

2 箱體優(yōu)化分析

從箱體的應(yīng)力及變形云圖可以看出，箱體的薄弱環(huán)節(jié)位于箱體的第三級軸承空處，因此首先通過在此軸承孔處增加加強(qiáng)筋來減小應(yīng)力值及變形量。圖 4 為增加筋板后箱體的變形及應(yīng)力云圖，箱體的最大應(yīng)力由38.14MPa 減小為 32.68MPa，最大變形量由 0.0507mm減小為 0.046mm，通過增加加強(qiáng)筋板使箱體的最大應(yīng)力及變形均有了較大幅度的降低。

圖 2 箱體應(yīng)力分布云圖

圖 3 箱體變形云圖

圖 4 加筋后箱體應(yīng)力、應(yīng)變圖

箱體具有較大的應(yīng)力裕度，因此本文再次通過減小箱體的壁厚對箱體進(jìn)行優(yōu)化，箱體的原壁厚為 13mm。圖 5 為不同壁厚時(shí)的箱體的應(yīng)力及變形云圖。表 1 為不同壁厚時(shí)的最大應(yīng)力值及變形量，箱體的最大應(yīng)力隨著壁厚的減小而增大，當(dāng)箱體的壁厚小于 11mm 時(shí)，最大應(yīng)力值增幅較大，同時(shí)箱體的最大變形也隨著壁厚的減小而增大。考慮到箱體的強(qiáng)度及鑄造時(shí)的工藝性，取箱體的壁厚為 11mm 作為優(yōu)化目標(biāo)值。優(yōu)化后箱體的重量由原來的 164kg 減小為 140kg。

表 1 不同箱體壁厚時(shí)的最大應(yīng)力及變形

3 結(jié)論

（1）建立了基于 Pro/E 的減速機(jī)箱體三維實(shí)體模型，利用 ANSYS 對箱體進(jìn)行了靜力學(xué)分析，校核了箱體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，找出了箱體的相對薄弱區(qū)域。

（2）通過增加筋板對箱體的薄弱區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)，以箱體質(zhì)量為目標(biāo)對箱體進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效降低了箱體的質(zhì)量，為以后減速器箱體的設(shè)計(jì)提供了一定的借鑒作用。

[1] 黃向明，周志雄．礦用隔爆變壓器箱體設(shè)計(jì)及優(yōu)化[J]．機(jī)械與電子，2006(3): 22-24．

[2] 胡世軍，梁東旭．基于 ANSYS 的主軸箱體模態(tài)分析及拓?fù)鋬?yōu)化[J]．機(jī)械制造，2012(11): 6-9．