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結構設計的研究對象是某型礦用齒輪箱，采用多級混合式行星傳動，由于傳動比大采用3級增速，前二級為行星傳動和輸出級采用平行軸傳動，行星傳動采用太陽輪浮動的2K-H(NGW)型，行星輪采用3個，這樣的行星傳動具有結構簡單、均載效果好的特點，礦用多級混合式行星傳動圖。參數(shù)確定根據(jù)經(jīng)典機械設計理論計算得出相應的齒輪參數(shù)，建立模型根據(jù)齒輪箱的實際結構參數(shù)，在Pro/E中建立多級混合式行星齒輪的參數(shù)化模型，得到的整體模型如圖所示。
齒輪強度計算是根據(jù)齒輪可能出現(xiàn)的失效形式來進行的，輪齒的主要失效形式是齒面接觸疲勞點蝕和輪齒彎曲疲勞折斷，而多級混合式行星齒輪傳動系統(tǒng)在工作過程中內(nèi)齒圈最容易發(fā)生損壞，本研究著重對內(nèi)齒圈進行模態(tài)分析和靜強度分析，首先建立內(nèi)齒圈的有限元分析模型。利用Pro/E參數(shù)化建立內(nèi)齒圈模型，以Parasolid，x_t格式導入Patran軟件中進行網(wǎng)格劃分，由于內(nèi)齒圈的邊緣不規(guī)整，自動生成的網(wǎng)格有太多的不規(guī)范，嚴重影響了解算的精度和速度，采用手動劃分網(wǎng)格，基本思路：內(nèi)齒圈是對稱結構，創(chuàng)建對稱體的網(wǎng)格(對稱體要分兩部分分別創(chuàng)建網(wǎng)格)，再進行鏡像處理，則整個網(wǎng)格就劃分好了。具體操作：(1)邊緣部分的網(wǎng)格劃分先用Paver創(chuàng)建內(nèi)齒圈邊緣的上表面四邊形網(wǎng)格，根據(jù)所建網(wǎng)格曲率半徑在邊緣曲線上撒下網(wǎng)格種子(保證部分網(wǎng)格關聯(lián))，再由Sweep/Element/Extrude沿Z軸負向拉伸至主體表面成為六面體網(wǎng)格；(2)主體部分的網(wǎng)格劃分用Paver創(chuàng)建主體表面的四邊形網(wǎng)格，在網(wǎng)格種子的作用下，創(chuàng)建的網(wǎng)格和邊緣面平移的網(wǎng)格是對齊一致的，將合起來的四邊形網(wǎng)格拉伸至整個內(nèi)齒圈的中間面，上部分的整體網(wǎng)格就劃分好了；(3)鏡像處理創(chuàng)建中間面的幾何坐標系，以該坐標系的z軸法向量作為鏡像面，Transform/Element/Mirror：得到整個內(nèi)齒圈的網(wǎng)格，保證了模型生成規(guī)整的六面體網(wǎng)格；(4)優(yōu)化網(wǎng)格用Equivalence消除接合面上的重復節(jié)點，用Verify檢驗模型自由邊。內(nèi)齒圈的有限元模型如圖所示，其單元數(shù)為53570，節(jié)點數(shù)為661350多級混合式行星傳動系統(tǒng)在工作過程中各部件受力比較復雜，其中內(nèi)齒圈不僅受到齒輪的嚙合力，還受到機體的約束反力。
內(nèi)齒圈的主動力為齒輪嚙合力，施加在內(nèi)齒圈的各承載輪齒上，而機體約束反力應作為約束處理。內(nèi)齒圈與3個行星輪嚙合，嚙合的齒之間有力傳遞，嚙合力會使內(nèi)齒圈產(chǎn)生預應力，內(nèi)齒圈的瞬時受力情況如圖所示，為了便于觀察，受力齒輪處作了放大處理，F(xiàn)的方向與接觸齒面垂直，在施加載荷時將嚙合力加在分網(wǎng)時在齒嚙合位置處的一排節(jié)點上，保證其真實性，其中各行星輪的嚙合力嚙合力均布在嚙合線上的，將分布力按照集中力來施加，即在作用面的每個節(jié)點上施加一個集中力(其值為受力除以作用面上的節(jié)點數(shù))，則每個節(jié)點上載荷內(nèi)齒圈的約束是靠螺栓與機體聯(lián)接，采用多點約束技術模擬螺栓約束，MPC是將節(jié)點的依賴自由度定義為其他若干節(jié)點獨立自由度的函數(shù)，進行節(jié)點自由度的耦合，即將螺栓孔內(nèi)表面的運動與一個控制點相耦合。基本思路：內(nèi)齒圈螺栓孔有24個，對其中一個進行MPC處理，其他進行旋轉復制。具體操作：創(chuàng)建一個組，將操作全部放在組里，創(chuàng)建螺栓孔的中心，此點作為控制點，Create/MPC/Explicit將螺栓孔內(nèi)表面與該控制點耦合，并給控制點施加固定約束，然后將這個組旋轉復制23次。對控制點施加約束來實現(xiàn)模擬機體對內(nèi)齒圈的約束，如圖所示。
模態(tài)分析內(nèi)齒圈的材料為45鋼，彈性模量為2.1xe5MPa，泊松比0.3，密度為7.8xe3kg/m3。低階模態(tài)對系統(tǒng)的振動影響較大，在計算時只考慮前10階頻率與振型，用上述參數(shù)對有限元模型進行屬性定義，通過Patran/Nastran進行模態(tài)分析，分析結果如表，模態(tài)振型圖略。通過模態(tài)檢驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性，就是分析固有頻率與外界激勵的頻率是否耦合發(fā)生共振，設計的風輪工作轉速在1024.78r/min，相對應的工作頻率為0.167，0.413Hz，由求解得到的模態(tài)可知，此風輪頻率在第3階和第4階頻率之間，且與前3階差距很大，內(nèi)齒圈不會與外界激勵發(fā)生共振，內(nèi)齒圈是穩(wěn)定的，符合工作要求。
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