基于有限元數值分析方法的傘齒輪箱靜強度、疲勞研究

王海鵬

（國能鐵路裝備有限責任公司，北京100010）

1 受力分析與結構強度評定

齒輪箱齒輪設計參數表1所示。齒輪箱采用ZG230-450鑄造和機加工方式，材料力學性能如表2[1]所示，其中疲勞極限指定存活率為99.9%，指定壽命為107。

表1 齒輪箱設計參數

表2 ZG230-450材料力學性能

2 受力分析

由于圓柱齒輪系有三種設計方案，本文選取最大齒輪受力情況進行分析，可滿足其他設計方案的靜強度分析。齒輪箱應力按極端工況下（輸入扭矩為4503）計算箱體靜強度和疲勞強度，齒輪箱受力計算基本參數如表3所示，強度振動加速度工況如表4示，施加的振動加速度方向與力的方向相反，使得加載最大化。

表3 齒輪受力值（小齒輪受力絕對值）

表4 強度載荷工況（g=9.81m2/g）

3 箱體靜強度、疲勞及模態結果評定

3.1 箱體靜強度與疲勞強度評定

本小節對箱體靜強度進行分析，包括有限元模型、網格劃分、應力云圖以及安全系數。

表5為不同工況下箱體有限元模型網格劃分統計，滿足計算分析的要求。不同工況下分析如圖2所示，圖2a為網格劃分與載荷加載圖，圖2b箱體Von Mises等效應力云圖，圖2c最大VonMises等效應力云圖。圖3與圖2類似。

圖2 左旋逆時針箱體前進工況

圖3 箱體前6階形變云圖

表5 不同工況下箱體有限元模型網格劃分統計

圖1 左旋順時針箱體后退工況分析圖

表6為齒輪箱應力按極端工況下（輸入扭矩為4503N·m）箱體靜強度和疲勞強度計算結果。由表可知，在輸入極限扭矩、同時發生垂向、縱向、橫向沖擊加速度疊加的極端情況下：左旋順時針工況下箱體靜強度和疲勞最小安全系數分別為3.08和2.386，左旋逆時針工況下箱體疲勞強度最小安全系數分別為4.159和3.21，以上系數表明在極限工況下，箱體滿足靜強度和疲勞強度要求，在設計壽命內不會發生疲勞損壞。

表6 不同工況靜強度與疲勞強度評定

3.2 箱體模態分析

表7為箱體模態網格劃分參數，滿足有限元計算要求。圖4為2軸箱體前6階模態箱體形變云圖。

表7 箱體模態網格劃分參數

箱體運用過程中除了線路振動激擾外，還有來自齒輪箱自身的循環振動，主要包括輸入端齒輪軸的回轉，輸出端車軸的回轉以及齒輪嚙合振動等。箱體的約束模態固有頻率應避開輸入端、輸出端回轉頻率及其倍頻，還應避開齒輪嚙合頻率及其倍頻。

表8為齒輪箱齒輪傳動裝置頻率，表9箱體約束模態，對比分析表8和9，箱體1階模態頻率以大于軸自傳頻率及齒輪嚙合頻率。箱體約束模態頻率完全避開了齒輪箱正常運行時的頻率及其頻率，避免了齒輪箱體共振現象的產生，齒輪箱不會發生共振疲勞破壞。

表8 齒輪箱齒輪傳動裝置頻率

表9 箱體約束模態

4 結語

（1）在輸入極限扭矩、同時發生垂向、縱向、橫向沖擊加速度疊加的極端情況下：左旋順時針工況下箱體靜強度和疲勞最小安全系數分別為3.08和2.386，左旋逆時針工況下箱體疲勞強度最小安全系數分別為4.159和3.21。以上系數表明在極限工況下，箱體滿足靜強度和疲勞強度要求，在設計壽命內不會發生疲勞損壞。

（2）箱體1階模態頻率以大于軸自傳頻率及齒輪嚙合頻率。箱體約束模態頻率完全避開了齒輪箱正常運行時的頻率及其頻率，避免了齒輪箱體共振現象的產生，齒輪箱不會發生共振疲勞破壞。