潛油減速器優(yōu)化設(shè)計及動力學(xué)分析

1、西安石油大學(xué)碩士學(xué)位論文潛油減速器優(yōu)化設(shè)計及動力學(xué)分析姓名:許俊如申請學(xué)位級別:碩士專業(yè):機械電子工程指導(dǎo)教師:徐建寧20070515 第一章潛油減速器盼優(yōu)化設(shè)計行星架、內(nèi)齒圈、行譬輪軸以及軸承等。為了進(jìn)行軸、軸承以及各個齒輪的強度計算和校核,需要分析行星齒輪傳動中各構(gòu)件的負(fù)荷情況。在分析計算中假設(shè)各個行星輪的載荷均勻相等,這樣可以簡化阿題,只需要分析一個行星齒輪的受力情況即可,其他情況類同(略去摩擦力。各構(gòu)件在輸入轉(zhuǎn)矩作用下處于平衡狀態(tài),構(gòu)件閫的作用力等于反作用力。2.8潛油減速器優(yōu)化設(shè)計軟件潛油減速器優(yōu)化設(shè)計軟件通過VB來實現(xiàn),如圖抖圖214,該軟件的具體功能如下:1圖卜9為潛油減速器優(yōu)化

2、設(shè)計軟件的進(jìn)入界面; |鳘|卜9優(yōu)化軟州界面幽2一10優(yōu)化軟件J.作界面 圖2_11優(yōu)化軟件1:作界面圖212優(yōu)化軟件r佧界面蹦安彳i油人學(xué)碩十學(xué)位論文 圖2一13優(yōu)化軟件丁作界面圖214優(yōu)化軟件工作界面2圖卜10為潛油減速器優(yōu)化設(shè)計軟件的功能界面,包括有傳動類型的選擇、配齒計算、計算齒輪的主要參數(shù)、峨合參數(shù)計算、幾何尺寸計算、裝配條件驗算、傳動效率計算、齒輪強度校核、傳動比分配這幾個主要功能;3圖21l為潛油減速器二級部分己知條件得輸入界面,其中主要包括:輸入轉(zhuǎn)速、輸m轉(zhuǎn)速(傳動比、功率、工作要求、工況要求,材料等;4圖2一12為潛油減速器傳動比的分配界面;5圖2一13為潛油減速器二級部分主

3、要參數(shù)的計算;6圖2一14為潛油減速器二級部分齒輪接觸強度和齒根彎曲強度校核。本軟件簡單實現(xiàn)了潛油減速器的優(yōu)化計算,但參數(shù)的優(yōu)化計算結(jié)合matlab的優(yōu)化工具箱提供的函數(shù)更簡潔方便,本軟件簡潔明了,可以很直觀的表現(xiàn)結(jié)果,通用性強,更改方便?？梢詫崿F(xiàn)本潛油減速器的參數(shù)計算和強度梭核,而且對于行星齒輪傳動的減速器具有很好的參考價值,町以根掘具體傳動形式的不同進(jìn)行添加和改進(jìn)。2.9小結(jié)根掘潛油減速器的工況特點,選用2K-H類NGW型行星齒輪傳動來實現(xiàn)減速器。通過模糊優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化參數(shù),得到潛油減速器具體參數(shù),潛油減速器二級部分的輸入轉(zhuǎn)速為62"1.158r/min,傳動比i=3.4783

4、(輸fH轉(zhuǎn)速178.58r/rain,輸入功率為37KW,得到潛油減速器二二紱部分的具體參數(shù),為下邊的動力學(xué)分析提供了實體基礎(chǔ)。第三章潛油減速器系統(tǒng)的動力學(xué)模型第三章潛油減速器系統(tǒng)的動力學(xué)模型潛油減速器系統(tǒng)即行星齒輪傳動結(jié)構(gòu)緊湊,體積小,傳動效率高,功率大,是一種廣泛應(yīng)用的齒輪傳動形式。圖卜1圖_2是潛油行星減速器二級部分,由太陽輪、內(nèi)齒圈、行星架和五個行星輪組成。任何一個太陽輪、內(nèi)齒圈、行星架都可作為輸入或輸出構(gòu)件。系統(tǒng)中同時存在內(nèi)、外嚙合齒輪副,功率經(jīng)多個行星輪既分流又匯流而同軸輸出,且存在行星架的動坐標(biāo)系,因此其動態(tài)特性遠(yuǎn)較其他齒輪傳動系統(tǒng)復(fù)雜。本章主要建立行星齒輪傳動系統(tǒng)的動力學(xué)模型,

5、并對模型中各參數(shù)的計算進(jìn)行了討論和研究,為后面進(jìn)行動力學(xué)分析提供基礎(chǔ)。 圖3一l二級行星齒輪減速器圖 圖32二級減速器裝配模型部分圖 第四章潛油減速器系統(tǒng)的動力學(xué)分析 圖42二級減速器有限元網(wǎng)格在完整地建立了二級潛油減速器系統(tǒng)后對有限元分析中不考慮或?qū)Ψ治鲇绊懮跷⒌慕Y(jié)構(gòu)特征進(jìn)行簡化處理。該潛油減速器系統(tǒng)由太陽輪、行星輪、內(nèi)齒圈和行星架組合而成,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,建模時不考慮內(nèi)齒圈與箱體、齒輪軸與軸承接合部的影響。這些處理不會對齒輪箱體的重量及剛度產(chǎn)生大的影響,完全能保證足夠的計算精度。由于齒輪模型在建模過程中加以簡化,雖然不會影響動力響應(yīng)計算結(jié)果,但由于其嚙合關(guān)系對模態(tài)分析時的振型有一定影響,因此

6、,還必須保證嚙合齒輪對在對應(yīng)節(jié)點切向和徑向上變形協(xié)調(diào)。對潛油減速器系統(tǒng)劃分有限元網(wǎng)格后,還必須對整個網(wǎng)格模型進(jìn)行檢查,從而保證計算結(jié)果的真實性和準(zhǔn)確性。首先檢查自由單元邊,當(dāng)單元的某一邊不在其它一單元之內(nèi)時,稱為自由單元邊。在復(fù)雜模型的建立過程中,通過拉伸旋轉(zhuǎn)等操作產(chǎn)生的各個部件,有時會沒有連接在一起,這將導(dǎo)致有限元模型丌裂,影響計算結(jié)果,嚴(yán)重時將使計算失敗。其次檢查重復(fù)單元、重復(fù)節(jié)點,根掘情況決定是否將它們合并在一起。最后檢查單元的劃分質(zhì)量,檢查單元法向是否一致、單元的長寬比、翹曲度、傾斜角以及錐度等指標(biāo),由于過度扭曲的單元將影響計算精度,因此必須并將其修改為可以接受的形狀。模念分析的建模過

7、程與其他分析的建模過程相類似,但在模態(tài)分析中應(yīng)注意兩個問題:模態(tài)分析屬于線性分析,即在模態(tài)分析過程中只有線性行為是有效的,如果在分析中指定了非線性單元,程序在計算過程中將忽略其非線性行為并將該單元作為線性單元處理。例如,如果分析中包含接觸單元,則剛度矩陣在分析過程中處于初始狀態(tài)并保持不變。在模念分析中,材料的性質(zhì)可以是線性的、非線性的、恒定的或與溫度有關(guān)的。在分析中必須指定彈性模量EX和密度DENS,但非線性性質(zhì)將被忽略。4.3潛油減速器系統(tǒng)的模態(tài)分析在建立潛油減速器系統(tǒng)的有限元模型,并進(jìn)行網(wǎng)格劃分后,對潛油減速器系統(tǒng)進(jìn)行加載和求解,首先進(jìn)行模念分析設(shè)置,定義分析類型為模態(tài),采用Block L

8、anczos法提取模態(tài),先提取潛油減速器系統(tǒng)的10階頻率和主振型;然后進(jìn)行邊界條件的設(shè)置,對于本 第四章潛油減速器系統(tǒng)的動力學(xué)分析表41二級減速器前15階固有頻率和振型模態(tài)固有頻率(Hz振型10內(nèi)齒圈軸向彎曲、徑向膨脹DMX=1.277 20行星架徑向膨脹DMX-0.69 30內(nèi)齒圈軸向彎曲、徑向膨脹DMX=1.174 40行星輪徑向膨脹DMX=2.38 50行星架徑向彎曲膨脹DMX-0.652 6O內(nèi)齒圈徑向彎曲膨脹DMX=I.301 733內(nèi)齒網(wǎng)軸向振動DMX=0.924 838行星輪軸軸向彎曲DMX=3.479 940行星架徑向膨脹、軸向彎曲DMX=0.915 1045行星輪軸徑向彎曲D

9、MX=1.639 1130內(nèi)齒圈徑向膨脹扭曲DMX=1.406 1233內(nèi)齒圈軸向膨脹DMX=1.383 1338行星架徑向膨脹DMX=0.939 1441太陽輪軸徑向膨脹彎曲DMX=1.525 1545行星輪軸徑向彎曲DMX=3.973圖4-_3第一階圖45第三階37圖44第二階 圖4_一6第四階曲安II油人學(xué)碩十學(xué)位論文 第四章潛油減速器系統(tǒng)的動力學(xué)分析 圖417第十五階由結(jié)果并結(jié)合振動理論可知,結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)對振動響應(yīng)影響較大,高階模態(tài)的影響很小,在工程應(yīng)用中,可以忽略不計。本文在計算時,只取了潛油減速器系統(tǒng)的前15階固有模態(tài)作為分析對象,從模態(tài)分析的結(jié)果可以看出,內(nèi)齒圈和行星架是系統(tǒng)中

10、振動較劇烈的薄弱環(huán)節(jié),行星輪軸的徑向振動在第八階逐漸顯示出來,也是潛油減速器中應(yīng)該重點考慮的,他可以與行星架一起進(jìn)行考慮。因此在潛油減速器設(shè)計過程,應(yīng)重點進(jìn)行內(nèi)齒圈,行星架的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度校核,動力響應(yīng)計算。4.5小結(jié)通過對潛油減速器二級部分進(jìn)行模態(tài)分析,得出了影響系統(tǒng)振動的前15階頻率和振型,其中前6階為剛體模態(tài),不起作用,從第7階到15階為實際模態(tài),對系統(tǒng)起作用。由于本系統(tǒng)最大輸入轉(zhuǎn)速為621.158r/min,對應(yīng)得頻率遠(yuǎn)小于實際模態(tài)對應(yīng)得頻率,從而得出系統(tǒng)不會發(fā)生共振,系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。曲安打油人學(xué)碩十學(xué)位論文第五章潛油減速器關(guān)鍵零件的有限元分析本文結(jié)合Pro/E和Ansys進(jìn)行實體建

11、模和有限元分析,首先利用Pro/E建立潛油減速器關(guān)鍵零件:齒輪軸和行星架的三維實體模型,然后通過軟件專用數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入Ansys,對潛油減速器關(guān)鍵零件齒輪軸和行星架進(jìn)行有限元分析。建立的實體模型如圖: 圖51齒輪軸的實體模型圖53行星輪的實體模型圖52內(nèi)齒圈的實體模型 圖54行星架的實體模型 圖55行星輪軸的實體模型圖56二級減速器裝配模型40第五章潛油減速器關(guān)鍵零件的有限元分析 圖5-7二級減速器裝配模型部分圖5.1潛油減速器齒輪軸的有限元分析5.1.1潛油減速器齒輪軸的靜力學(xué)分析1潛油減速器幾何參數(shù)潛油行星減速器主要幾何參數(shù)確定如表卜1:2齒輪軸有限元分析齒輪軸的材料為45CrNiMoVA,

12、左端齒輪齒面滲碳淬火,齒面硬度HRC=58,-62,查表可以確定接觸疲勞極限為仃日抽=1500MPa,彎曲疲勞極限應(yīng)力為d,=450MPm花鍵部分表面高頻淬火HB32瞻360,齒輪軸其余部分滲碳淬火硬度為HRC40HRCA2“”。齒輪軸的輸入功率從右端花鍵端輸入,功率為37KW,材料的彈性模量為2.06Ell,泊松比為0.3,材料的密度為7800kg/m3,齒輪軸的結(jié)構(gòu)如圖卜8所示:齒輪中心輪行星輪中心輪齒數(shù)231757模數(shù)(mm222齒寬(mm494949分度圓直徑(4634114圖58齒輪軸結(jié)構(gòu)圖功率從右端花鍵輸入轉(zhuǎn)矩,功率為37kw,輸入轉(zhuǎn)速為621.158r/rain,;左端為齒輪,西

13、安石油大學(xué)碩士學(xué)位論文通過與行星輪嚙合,行星輪架輸出動力。3建立齒輪軸有限元模型在建立齒輪有限元物理模型前,基于彈性理論,為了簡化問題求解,提出如下假設(shè):(1齒輪材料是各向同性的。(2齒輪材料是連續(xù)的、均勻的。(3齒輪齒面接觸線上各點的變形均沿齒廓表面的法線方向。(4齒輪接觸載荷沿齒面法線方向。(5不計算齒輪嚙合時齒面上的摩擦力。4實體建模根據(jù)以上主要幾何參數(shù),利用pro/e建立潛油減速器齒輪軸三維實體模型。然后,通過專用數(shù)據(jù)接13導(dǎo)入ANSYS。建立的實體模型如圖卜_9: 圖59齒輪軸實體模型5模型的網(wǎng)格劃分確定有限元單元網(wǎng)格時主要考慮對計算精度的要求。計算齒形的復(fù)雜程度及計算時間等諸多因素

14、,ANSYS程序為用戶提供了多種三維有限元網(wǎng)格劃分模式,同時可以人為地控制實體網(wǎng)格單元大小和疏密程度.在齒輪受力較大的部分應(yīng)將網(wǎng)格加密,以便提高計算精度。針對潛油減速器實際情況,本文中采用智能網(wǎng)格劃分,由于節(jié)點多,計算量大,不宜采用過細(xì)的網(wǎng)格,在此采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行劃分,網(wǎng)格劃分如圖510: 圖5一l0齒輪軸的有限元網(wǎng)格 西安石油大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖5-11齒輪軸的節(jié)點位移云圖圖5-12齒輪軸的VonMises應(yīng)力云圖5.1.2潛油減速器齒輪軸的模態(tài)分析Ansys模態(tài)分析用來在一個結(jié)構(gòu)或者一個機器構(gòu)件的設(shè)計時確定它的自振頻率和振型,模態(tài)分析也可以作為更詳細(xì)的動力分析的前奏,比如瞬態(tài)動力分析,諧

15、譜相應(yīng)分析或譜分析。Ansys的模態(tài)分析是一個線性分析,因此在模態(tài)分析中,任何非線性特性,例如塑性和接觸單元,即使定義了也會被忽略。Ansys提供了7種模態(tài)分析方法,他們分別是子空fBJ法、分塊Lanczos方法、PowerDynamics方法,縮減法、非對稱法、阻尼法和QR 阻尼法?？梢詫τ蓄A(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和對循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析1。1模態(tài)分析過程:(1模態(tài)分析的定義及應(yīng)用模態(tài)分析用于確定設(shè)計結(jié)構(gòu)或機械部件的振動特性,即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型,他們是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)。在進(jìn)行譜分析或用模態(tài)疊加法求諧響應(yīng)和瞬態(tài)分析的時候,模態(tài)分析時必不可少的。Ansys可以對預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)進(jìn)

16、行模態(tài)分析,比如對一個旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片進(jìn)行模態(tài)分析。另外,對于一個循環(huán)對稱的模型,可以只對其一部分進(jìn)行建模,而察看整個對稱模型的模態(tài)形狀。(2建模首先,指定工程名稱和分析標(biāo)題,然后在前處理中定義單元類型,單元實常數(shù),材料性質(zhì)和模型集合性質(zhì),建立模型中注意以下幾點:模態(tài)分析中只包括線性行為的分析。模態(tài)分析中材料模型可以是線性的、各向同性的或各向異性的、恒定的或溫度相關(guān)的。但是必須定義楊氏模量EX或其他形式的硬度以及密度DENS或其他形式的質(zhì)量。Ansys在模態(tài)分析中,非線性總是被忽略。如果施加單元阻尼,必須定義這些特定單元的所需實常數(shù),比如COMBIN7,COMBINl4,COMBIN37單元等。

17、(3加載及求解這一步要定義分析類型和分析選型,施加加載,指定加載步選項,然后進(jìn)行有限元第五章潛油減速器關(guān)鍵零件的有限元分析計算求解固有頻率。在求解結(jié)束后,要擴展模態(tài)以便觀察。(4觀察結(jié)果經(jīng)過模態(tài)擴展以后的模態(tài)分析結(jié)果被寫入到結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果文件中去,其中包括:固有頻率、擴展模態(tài)形狀、相對應(yīng)力和力的分布。2齒輪軸的模態(tài)分析結(jié)果齒輪軸的模態(tài)分析結(jié)果如下圖及表54:圖7.13一階應(yīng)力圖圖5一15二階位移圖517三階應(yīng)力圖514一階位移圖圖516二階應(yīng)力圖 圖518三階位移婀安_i油人學(xué)碩十學(xué)位論文 圖519四階位移圖520四階應(yīng)力 圖521五階應(yīng)力圖522五階位移表54齒輪軸的頻率及主振型模態(tài)同有頻率(Hz振刪1825齒輪軸末端左右搖擺,DMX=O.521e-42830齒輪軸術(shù)端上卜I搖擺,DMX-O.520e.432154齒輪軸前端左也搖擺,DMX-O.153E.442171齒輪軸前端上F搖捏,DMX=0.153E.454466齒輪軸術(shù)端蛇形彎曲,DMX=O.63e.5模念分析結(jié)果表明,齒輪軸的輸入端和齒輪動力輸出端是很容易引起振動的地方,出于本潛油行星減速系統(tǒng)的大功率、低轉(zhuǎn)速、大扭矩的特點,因此要合理設(shè)計齒輪軸的懸臂粱的長度,以免振動過大,即合理設(shè)計軸肩的位置,使振動最小。3潛油