（机械工程专业论文）大功率矿用行星减速器优化设计及三维特征建模的研究.pdf

辽宁工程技零太学磺士学链谂文 摘要 零论文擐撩j 蒹扩并下豹特殊文犷环境，淹辫低大臻攀躐遴器在势下翦运输漆 度和减速赣与刹缀输送枫其它部件装配撩作滚度，锋对大翡举矿屠两级稽星齿轮 减速器，提出该类攫减速器在设诗孛必绥鬟纛解决髂积( 鬟案) 怒程，遴过健豫 程序诗赛鼷在保证强度的条件下体积最奎的减速器熬齿辕关键参数；忧傀结栗毒 一般设诗方法得出的结果进行比较；然后利用优化结果利用u 0 软件对减速器的 主要零韶转连行三维设诗、完戏懋维装嚣貘黧，裁撵残枫梅避嚣减速器纛正式铡 造前的模拟运行验诚 关键词。矿用行爨减速器，优化设计，u g 三维特镬建模，机构 玩宁工程技术大学硕士学位论文 n b s n 认c i c o n s i d e r i n g t h ee s p e c i a l l ye n v i r o n m e n to f t h en a t i o n a lc o a lm i n e s , a n d d e p r e s s i n gt h ec o n v e ya n da s s e m b l i n gd i f f i c u l t i e s ，t h ea r t i c l e i l i t l d d u p 冶t h em e t h o d sa b o u th o wt o & a lw i t ht h ev o l u m e ，w h i c hi sa b o u t t h er e d u c e ro f c o a lm i n e b yo p t i m i z i n gt h ep r o g r a m ，w ec a r lg e tt h eb e s t p a r a m e t e ra b o u tt h eg e a r s m e a n w h i l e , w ec o m p a r i n gt h et 、阳m e t h o d so f n o r m a ld e s i g na n do p t i m i z e dd e s i g n t h e nw em a k et h ec h a r a c t e r i s t i c m o d e lb yu g o f c h i e f c o m p o n e n t so f t h er e d u c e ra n df i n f i s ht h e a s s e m b l a g ea sw e l la ss i m u l a t e g 鲫m r d s ：m l u e e ro f 曲ec o a lm i n e o p t i m i z ed e s i g n c h a r a c t e r i s t i cm o d e l o r g a n 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l 概述 1 1 国内现状及发展趋势 二十世纪八十年代以来，世界各主要产煤国为促进技术进步和提高经济 效益，都将煤炭工业的发展重点从单纯增加矿井和工作面数量，调整为扩大 矿井生产规模和提高采煤工作面单产及效率，实现了综合机械化的基础上， 正进一步向遥控化、自动化方向发展，煤矿的经济效益显著提高。目前，超 大型综采设备的生产能力已达到4 5 0 0 t h ，为采煤工作面的煤炭日产量保持在 万吨以上提供了可靠的保证，各主要产煤国在通盘考虑增加企业经济效益， 扩大市场份额的前提下，纷纷利用新技术、新设备扩大矿井的生产规模，国 内外共同发展趋向是“一个矿井，一个采区，一个工作面”。 八十年代以来，为了适应矿井规模增大，工作面煤炭生产能力提高的要 求，在加大输送机敷设长度、增加输送设备装机功率，国产输送机功率已达 到2 x 8 5 5 k w 。项目产品符合煤矿进下采煤设备向国产化的趋势，更符合我国 现有煤矿采煤、运煤、提升的国情。 矿用减速器相对于普通减速器要求更高，井下巷道空间小，运输条件比 较差，减速器在井下的安装条件很差，基本上是手工操作，随着采煤设备能 力的提高，矿用减速器的功率也在不断增大，目前在神华集团投入使用的进 口减速器的功率已达8 5 5 k w ，国内生产的已投入使用的功率最大的减速器为 7 0 0k w ，2 0 0 3 年在兖州矿业集团投入使用，目前华亭煤业集团已订购 2 x 7 0 0 k w 输送机准备投入使用。 1 2 理论及实践意义 随着兖矿集团和神华集团大型采煤设备的国产化，华亭和国投新集等国 内大型企业采煤设备向大型化发展。作为采煤刮板输送机关键部件的大功率 矿用减速器的研制成功，对提高国产采煤设备的质量有着重要的意义。 减速器功率增大后，由于井下设备维修困难，设计减速器时安全系数的 取值较大，因此减速器的体积和重量大，给井下运输和安装带来很大的困难。 利用计算机软件的强大功能，通过对矿用减速器的优化设计，选择最优 参数，使减速器的体积( 重量) 尽可能的小，减小减速器在井下的运输和安 装难度。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 通过u g 软件的三维建模功能，在减速器投入生产之前进行三维验证， 检查各零部件之间的配合情况，尽可能地减少设计错误。减小减速器的制造 成本。 1 3 主要研究内容和目标 1 以体积最小( 重量最轻) 为目标，优化功率为7 0 0 k w 的矿用两级行星 齿轮减速器的主要参数。 2 根据得出减速器的优化，利用u g 建模模块和装配模块对主要零部件进 行三维建模和模拟装配。 3 利用u g 的链接机构模块将两级行星减速器的传动部件链接成机构，模 拟运行。在减速器生产之前直观的了解其主要零部件的结构和运行状况。 2 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 矿用减速器优化设计 高产高效综放工作面运输设备包括前、后部刮板输送机、顺槽刮板转载 机、破碎机及胶带输送机，它们的性能指标、可靠性直接影响高产高效综放 工作面开采作业。减速器是输送机动力部的关键部件之一。减速器的可靠性 直接影响着输送机采煤的采煤效率。同时减速器的体积大小也影响采煤机的 采煤高度。要保证输送机在采煤过程中能向前推移，减速器输出轴的中心高 度必须小于输送机链轮轴组的中心高度。因此减速器结构设计得越紧凑，体 积越小，越有利于输送机的整体设计。下面以减速器的体积最小为目标进行 优化设计。 2 1 确定影响行星齿轮减速器承载能力和体积的参数 影响行星齿轮减速器承载能力和体积的的因素很多，仅与齿轮传动设计 有关的因素就有： 2 1 1 啮合参数 中心距a ； 模数1 1 1 n ； 齿轮齿数z ； 内外啮合变位系数x ； 齿轮宽度b 。 2 1 2 齿制参数 齿顶高系数虻： 齿顶间隙系数c 。 2 1 3 刀具参数 刀尖圆角半径r 。 2 1 4 材料参数 材料的硬度、极限应力等。 2 1 6 制造参数 如制造精度、表面粗糙度等。 2 1 7 使用参数 如输入转速n ； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 寿命l n 。 2 2 可行枚举法 由于能提高设计质量，加快设计速度，减轻设计人员的劳动和有利于深 入研究减速器的设计问题，因此，对行星齿轮减速器的优化设计可以带来很 大的技术经济效益。 常用的优化算法有：坐标轮换法、鲍威尔法、梯度法、随机搜索法、惩 罚函数法、拟离散法等。本文采用的是可行枚举法，是特别适用于解约束化 问题中离散问题的常用算法。 对于离散问题，有一种原理极其简单的解法，就是把设计变量所有可能 的的组合都列出来，逐个计算每个组合的目标函数值，然后比较出最后的最 优值，这就是枚举法。枚举法不仅原理简单，而且能使我们找到全局的最优 解；缺点是，对于规模稍大一点的优化问题，枚举法就会因为面临极大的计 算工作量而显得束手无策。 可行枚举法的基本思想是：在计算设计变量的一个组合的目标函数值之 前，不妨先判别一下这个组合是否满足了所有的约束条件，一旦发现它不满 足任何一个约束条件，就立即删去这一组合。如果它满足所有的约束条件， 仍应当进一步判断一下，从这个组合计算出来的目标函数值，有没有可能优 于已经从其它组合中得到的目标函数值。如果没有这种可能，那么仍然删去 这个组合。只是对满足所有约束条件并且有可能取得最优目标函数值的设计 变量组合，才计算它们所对应的目标函数值。 在某些设计问题中，那些满足所有约束条件的变量组合个数的比例是极 小的，减速器的设计问题便属此类。对这类问题而言，可行枚举的做法比完 全枚举的做法大大减少了工作量，使原先因计算量太大而无法解决的问题变 得容易解决了。此外，由于这种方法随时顾及了约束条件，不需要向无约束 问题作转化，因此是效率较高的直接计算方法。 2 3 行星齿轮减速器优化设计数学模型 矿用两级行星齿轮减速器采用高、低速级内齿轮不转动，高、低速级太 阳轮和高速级行星架浮动的结构。具体结构如图2 1 所示。 2 3 1 设计变量 4 辽宁工程技术大学硕士学位论文 两级传动优化问题可以转化为单级传动的优化问题，单级传动的优化问 题又可以用可行枚举的方法解决。显然只要分配各级传动比，就可以得到一 个相应与这种分配而且是优化了的目标值。根据实践经验和系列减速器速比 处理方法( 如表2 1 所示) ，可给出多级行星减速器的速比初值。优化设计的 基本过程是将一级行星齿轮副( 太阳轮、行星轮和内齿轮) 进行承载能力计 算，计算依据是渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法( g b 3 4 8 0 ) 。完成标准 所规定的计算，需要确定下述参数和待定条件： 图2 - i 行星齿轮传动简图 表2 1 行星减速器传动比分配方案 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 关于减速器的使用条件 a )使用系数k = i 2 5 b )期待的积累使用时间，即寿命t = 2 0 0 0 0 t c ) 承载功率l 睦- - 7 0 0 k w d )输入转速n = 1 4 8 5 r m i n e ) 润滑油粘度v m c = 4 6 0 皿2 s 2 关于齿轮的齿制。 a )齿顶高系数h = l b ) 标准压力角a 。= 2 0 。 c ) 刀具尖端圆角半径系数0 0 o o q0 0 r o = o 3 8 如 d ) 刀具尖端凸台侧边压力角a = 1 5 。 3 关于齿轮齿制和减速器装配。 a ) 齿轮制造精度7 - 6 6 儿g b l 0 0 9 5 - 8 8 。 b ) 齿面及齿根的粗糙度r a = o 8pm 4 关于齿轮的材料和处理。 a ) 齿轮原材料1 8 c r 2 n i 4 w a 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 b )热处理方式： 太阳轮、行星轮渗碳处理 内齿轮调质渗氮处理。 c )齿面的硬度 太阳轮、行星轮h r c 5 8 6 2 内齿轮n v 5 5 0 6 0 0 d )试验齿轮的接触疲劳强度0m u , = 1 4 7 0 n m m 2 e )试验齿轮的弯曲疲劳强度0 。= 9 0 0 n 皿2 f )齿轮材料的屈服强度0n = 7 5 0 n m m 5 关于齿轮的啮合参数。 a )传动中心距a a 4 8 3 ( u 1 ) 式中u 为行星轮、太阳轮的齿数比；k 为使用系数； 递的转矩；巾d 为齿宽系数；0 ，为许用接触应力。 b )模数陆 弛 1 2 6 望! 兰生 、 m 。乙盯月) ( 2 - 1 ) t 1 为齿轮传 ( 2 - 2 ) 式中y 。为复合齿形系数；( b m 为齿宽系数；0 。为许用弯曲应力 c )变位系数： 太阳轮x 。 行星轮x 。 内齿轮x l 齿宽b 。 根据行星齿轮减速器的工作范围和制造条件，上述各参数将会视情况被限 制在一个较小且实用的范围。即针对低速重载硬齿面行星齿轮减速器，太阳轮 和行星轮采用模齿( 渗碳钢、7 级精度) 、内齿轮采用插齿( 渗氮、8 级精度) ， 因此，减速器优化设计变量以齿轮几何参数为主，它们是中心距、模数、各个 齿轮的参数、齿宽和变位系数。研究其他参数变化对优化结构的影响可通过在 8 辽宁工程技术大学硕士学位论文 输入数据文件中合理改变这些参数实现。 2 3 2 目标函数。 减速器优化目标函数通常分为两类：最小体积( 重量) 和最大承载能力。 前者是从给定的承载能力出发，以减速器总中心距最小为优化设计目标( 预先 规定齿轮宽度与单级中心距的关系) ，此方法使用于设计专用减速器；后者从 给定的中心距或体积出发，以减速器的承载能力优化设计目标。此方法适用于 改进某些减速器产品和产品系列。 矿用减速器由于受井下安装空间和运输条件的限制，设计减速器时，在保 证其工作性能和结构强度的前提下，尽量使减速器结构紧凑、体积最小，因此 选取减速器体积最小为目标函数。为计算简便，取太阳轮和全部行星轮体积作 为目标函数，即 f g ) = 三兰孚m 2 a c 0 s 2 ( m m 3 ) c z 式中z 行星轮齿数。 z b 太阳轮齿数： a 。外啮合角； a o 刀具角； m 模数m m ； b 齿宽m i l l ； n 行星轮个数。 设计单级行星齿轮机构，需确定的齿轮参数有：z 。，z 2 、7 , 3 ，行星轮个数n ， 模数m ，齿宽b ，变位系数。：，。等，但作为设计变量必须是独立的。若 给定单级行星机构的传动比i ，只要知道一个齿轮的齿数，则其余两轮齿数均 可确定。因此三个齿数中仅一个是独立的，因为本次设计中采用了角度变位传 动，内、外啮合角必须满足： 生生蔓：量二互( 2 4 ) c o s g lc o s 口2 此时设计变量为 x = e z ql ，m ，。，b ，n = x ，x ：，】【3 ，】【，x 5 ，】【6 ( 2 5 ) 9 辽宁工程技术大学硕士学位论文 t 0 式中。、：、广分别为行星轮、太阳轮、内齿轮变位系数； z 广一内齿轮的齿数； o 广内啮合角。 而z 。，z 。，：和n ：可以通过同心条件、相邻条件、配齿条件，用设计变 量表示，所以作为相关变量。 2 3 3 约束条件 约束条件是判断目标函数中设计变量的取值是否可行的一些规定，因此减 速器优化过程中提出的每一个供选择的设计方案，都应当由满足全部约束条件 的设计变量所构成。 对于减速器来说，在列出优化设计的约束条件时，应当从各个方面细致周 全地予以考虑。其一项约束条件的遗漏，将意味着优化设计最终提供的方案有 可能不满足该项约束条件所体现的要求，很可能因此而造成设计的失败。 当然，超过了实际需要而列出过多或过严的约束，也是不可取的，着将会限制 我们选择优化方案的范围，并使优化设计过程变得较为复杂。 优化设计约束条件： 重合度限制：g 。= 去【z l ( f g 一私。+ z 2 ( t g 口0 2 一秘：) 】一1 1 o ( 2 - 6 ) g ：= 去【z 3 ( r g ，一t g a ：) + z l 。- t g a ：) 】一1 1 o ( 2 6 ) 外啮合角限制： 9 3 = 口l - 2 2 0 “( 2 - 7 ) 齿宽限制： 行星轮数目限制： 9 4 = 2 7 一q 0 ( 2 - 8 ) g s = 口2 1 7 5 0 ( 2 - 9 ) 9 6 = 2 1 一口2 0 ( 2 - l o ) 9 7 = 4 0 6 】0 ( 2 - 1 1 ) 9 8 = 1 7 m - b 12 0 ( 2 - 1 2 ) 9 9 = n - 2 0 ( 2 - 1 3 ) g l o = 6 - n 0 ( 2 - 1 4 ) 弯曲强度限制： 蜀。：堑尘宅；蔓! 盛o ( 2 - 1 5 ) d m 辽宁工程技术大学硕士学位论文 乳= 4 9 0 一悟粤z 剖c z - 单级传动优化，是要构造一个子过程，用它来求得单级传动的目标函数 f ( d = ( f - i ，2 ，3 ，4 ，i 为传动级别) 的极值。同时求得各个设计变量的优化值。 这个子过程是在分传动比酊已经定出的情况下完成的。实施子过程的具体步 骤，是依据可行枚举法的思想，并考虑到各个变量对目标影响的大小拟定的。 2 4 行星齿轮减速器优化设计软件介绍 该行星齿轮减速器优化设计软件是“渐开线圆柱齿轮减速器优化设计软件 包”( 以下简称r o d s ：r e d u c e ro p t i m i z a t i o nd e s i g ns o f t w e a r s ) 一个子系统。 本软件是是依据可行枚举法的思想编制而成的。因此r o d s 的优化设计方法可解 决上述问题，并具有如下功能： 1 ) 进行优化计算； 2 ) 显示和打印输入数据； 3 ) 显示和打印输出数据； 4 ) 部分修改输入数据后进行优化计算； 5 ) 自动进行主控制文件、输入数据及输出结果的备份。 表2 - 2 所列为r o d s 软件包可解决的优化设计问题类型 2 4 1 可行煤举法优化设计主程序流程图( 图2 - 2 ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图2 - 2 行星齿轮减速器主程序流程图 1 2 2 4 2 程序结构及原程序 两级行星齿轮减速器程序结构图( 图2 3 ) ( 及主要原程序( 最小体积问题) 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 3 图2 - 3 行星齿轮减速器主程序结构图 r o d s l l 主要源程序( 两级行星齿轮减速器优化设计一最小体积问题) ： p r o g r a mr r o d s l 1 c c 采用公共区方式定义标示符、初始化、赋值及传递数据( 略) c o p e n ( 5 f 吐= f n a m e d a t ) r e a d ( 5 ，+ ) i t , i c p , i h d 05 i - 1 5 5 r e a d ( 5 ，1 1 1 1 ) f i l e ( i ) 1 1 1 1 f o r m a t ( 1 a 1 0 ) c l o s e ( 5 ) c o p e n ( 5 ，f i l e = f i l e ( 3 ) ，f o r m = u n f o r m a t i e d ) o p e n ( 6 , f i l e = f i l e ( 4 ) , f o r m = u n f o r m a t t e d , s t a t u s 2 n e w ) r e a d ( 5 ) q m 2 r e a d ( 5 ) u u u , u i ( 1 ) , u i ( 2 ) , f a ( 1 ) ，f a ( 2 ) ，k n p , n p , i m n , a l f a n , q n i ，l h ，刚4 0 ，i t l ，1 i 2 ，i t 3 ，u a , f s h 0 ( i ) ，f s h o ( ( 2 ) ，q n a m a t d ol o i = 1 3 r e a d ( s ) h a o f 0 ，p a o ( i ) ，p r o ( i ) , a l f a p r 0 0 ) , h b ( i l , g h l i m 0 ) ， + g h l m ( 1 ) ，g s ( i ) p p ( i ) ，r z ( 1 ) ，r r z o ) ，s h h m ， + s f n n o ) , n d o ，1 ) , n d ( i ，1 ) , n d ( i , 2 ) , n d ( i ，3 ) l oc 伪q l r i 阿j e r e a d ( 5 ) ( q m n ( i ) ，i - - 1 ，i m n ) c l o s e ( 5 ) n u m l = 1 n u m 2 = 0 f f f - - 1 o e + 0 2 0 c 为强度计算准备与设计有关的数据 c a i j 。b e f o r l 辽宁工程技术大学硕士学位论文 c i fo h e q 2 ) g o t o1 6 c 计算目标函数f u n c t ( u i , f f f ) c a l lf l r n c t ( u i , f f f ) d 01 4 j - l ，8 9 r i ( 1 , j ) = r ( 1 m 1 4 r 1 ( 2 ，d _ r ( 2 ，j ) g o t o1 1 0 c 1 6 d 0 2 0 i - - 1 ，5 u i ( 2 ) = u a + 0 0 6 + ( f l o a t ( 1 ) - 3 ) + u a u i ( 1 ) = u u u u i ( 2 ) c a l lf u n c t ( u i ，f 鳓 n u m 2 = 小兀璩位+ l d o1 8j = l ，8 9 r r ( i , 1 删l 刀 1 8 r o 2 ，闩( 2 ，j ) 2 0c o n 邛m j e q f f = a m i n i ( 1 ) ，f ( 2 ) ，f ( 3 ) ，f ( 4 ) ，f ( 5 ) ) d 0 3 0 蹦l = l ，5 i f ( a b s ( q f f - f o m l ) ) l t 1 ) g o t o3 5 3 0c 0 1 删i e 3 5 q u i = u a + 0 0 6 + ( f l o a t o m l ) - 3 ) + u a d 0 4 2 i - 1 ，5 q u ( 2 ) = q u l + 0 0 6 + ( f l o a t ( i ) - 3 1 + q u l u i o ) = l 兀i 肌( 2 ) i i = i + 5 c a l lf u n c t ( u i , f ( 1 1 ) ) n u m 2 - 1 讯，m 2 + l d 0 4 0j = l ，8 9 辽宁工程技术大学硕士学位论文 r r o i ，l 劂1 ，j ) 柏耻b ( ，2 驴r ( 2 j ) 4 2c o n 珊厄 q e f = a m i n i ( f ( 6 ) , f ( 7 ) ，f ( 8 ) ，f ( 9 ) ，f ( 1 0 ) ) d 0 4 5m 2 = 6 1 0 i f ( a b s ( q e f - f ( i m 2 ) ) l t 1 ) g o t o5 0 4 5c o n 珊7 e 5 0 q u 2 = q u i + o 0 2 ( f l o a t ( i m 2 - 5 ) - 3 p q u l i f ( q u 2 e q u a ) g o t o l1 0 i f ( q f f g t f f f ) c k ) t o6 0 d o5 2j = 1 ，8 9 m o d = r r o m 2 ，l m 5 2 r l ( 2 驴- r r 心，2 ，j ) f f f = q f f 6 0 x f ( n u m l e q 3 ) g o t o1 1 0 u a = q u 2 m l m l 卧n 巧t 1 + 1 g o t d1 6 c l l od o1 2 0j - - 1 8 9 1 2 0 w 1 l r i e ( 6 ) r i ( 1 ，j ) 皿l ( 2 刀 s 1 d p e n d c c 采用公共区方式定义目标符、初始化、赋值及传递数据( 略) c 5 姗- 1 m i = q m 2 u i ( 2 ) u i ( 1 ) n l q n l g ( ) 1 0 2 0 坚主三墨垫查查堂堡主兰垡堡壅一竺 c c 1 0j u i = 2 m i = q m 2 l u ( 2 ) n 1 = q m t n o ) c ci z z 确定行星传动的齿轮齿数 c a i j ，i z z ( 1 ) c 球( f a ( j 11 1 ) l e 2 ) t h e n b = f a ( j u i ) + a b = a i n t ( b + 5 1 e l s e b = f a ( i i ) e n d m 2 = m i + u c a l lg e o m ( k k i f ( k k e q 1 ) g o t o4 0 0 d r ( j u i ) = d o ) a a ( h d = a n l l ( 1 ) = 6 0 + l h + n 1 + f 1 - l s u ) n l l ( 2 ) = n l l ( 1 ) n p n l l ( 3 ) = n l l ( 1 ) d o3 5i k k - - 1 2 d o3 5 i l = 1 ，2 d m a 匝k i l 沪1 y 1 郴k ，i l 沪1 = i k k + 1 i f ( n l l ( i i ) o e 5 0 e + 7 ) g o t o2 2 砼n 叼吸k ，沪5 0 e + 7 n l l ( 1 1 ) ) ”0 0 7 5 6 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 5 c i f ( n l l 0 _ i ) l e i 0 e + 5 ) z n n o x k m ) = i 6 球洲l 】l c ) g t 3 0 e + 6 ) g o t o3 5 m 邮l t 5 0 0 0 ) t a 斟 y t n ( i k k , i l ) - - ( 3 0 e + 6 n l l ( i i ) + + 0 1 6 i f ( n l l ( i i ) l e 1 0 e + 4 ) y n t ( i k x 几) _ 2 5 e l s e v t n 哗i l ) = ( 3 0 e + 6 n l l ( i i ) ”0 1 1 5 i f ( n l l 6 i ) l e 3 0 e + 6 ) y 1 呱k 如盼- 2 5 e n d 珥 c 0 1 删7 e c a l l c h s f c 4 4 d 0 1 1 1 1 1 = 1 ，2 d 0 1 1 1 1 2 = 1 2 - 1 1 + 1 2 - 1 i f ( s h t ，i i ，1 2 ) l t s h m i n ( i k ) o r 4 0 0 1 l lc 0 l 盯n e g o t 0 1 5 5 4 0 0c 0 】删e g o t 0 1 2 0 1 7 c c 为输出做准备计算结果赋值给数组( 略) c c p 1 = d ( 2 ) - 8 + m n p 2 = d ( 3 计8 + m n p = d 0 ) + + 2 扑呼+ ( 2 ) ”2 - p i ”2 m 扩+ 2 - d ( 3 ) “2 ) q f ( j u d = 2 5 + p i + b + p 辽宁工程技术大学硕士学位论文 i f ( j an e 0 ) g 0 1 o2 2 2 a = - a - 1 0 g o t 0 5 0 2 2 2 m ( j j a i 1 娓1 ) t h e n q u i = u e n d 正 f = q f ( i f ( 2 ) r e j l i n e n d 2 4 3 优化输出结值： 高速级：x o = 1 6 ；x b = 4 3 ：x , = 1 0 4 ：皿- - 6 5 ；b = 6 5 。 低速船牮1 7 ；x b - 2 7 ；x 产7 3 ：盱1 2 ；b = 1 9 0 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 矿用两级行星减速器设计实例 3 1 两级行星齿轮减速器设计要素 1 输出功率p = 7 0 0 k w 2 输入转速一一川卢1 4 8 5 r m i n 3 输出转速n 2 = - 3 9r r a i n 4 使用寿命 3 2 齿轮材料、热处理工艺及制造工艺的制定 表2 - 3 齿轮材料、热处理工艺及制造工艺 3 3 确定各主要参数 辽宁工程技术大学硕士学位论文 设计高速级齿轮 a 总传动比i i - - n l n 2 = 1 4 9 0 3 9 = 3 8 2 0 5 ( 3 1 ) b 高速级传动的传动比f j 两级行星齿轮减速器的低速级传动比口应于对应的7 0 0 k w 三级圆锥 圆柱行星齿轮减速器的第三级行星传动部分的传动比相同，因此i 2 = 5 ， 齿数为删z s = 8 n 2 2 7 ，m = 1 2 则高速级传动的传动比i 1 2 i i 2 = 7 6 4 1 c 行星轮数目印 取r i p = 3 。 d 载荷不均匀系数k 渤 低速级采用太阳轮浮动的均载机构，取k h p 1 【c p = 1 1 5 。 e 配齿计算 根据经验和设备能力，取m am o 0 2 5 。 则z = 2 a m 2 0 0 3 6 0 。 太阳轮齿数黾 z a = 2z e 2 = - 2 x 6 0 7 6 4 1 1 6 内齿圈齿数z b b = - - z , ( i 2 - 1 ) = 1 6 x 仃6 4 1 - 1 ) - 1 0 6 行星轮齿数 珞气z b - z 0 2 = ( 1 0 6 - 1 6 ) 2 = 4 5 取z a = 1 6 ，z b = 1 0 4 ，z g = 4 4 。 f 齿轮模数m 和中心距a 太阳轮分度圆直径： 妒酊t x k a xk 曲( u 1 ) ( 1 l r d 0 胁0 蛔哪”( 3 - 2 ) 式中u 为齿数比为4 4 1 1 6 - - 2 7 5 ： k a 为使用系数为1 2 5 ： k 坩为算式系数为7 6 8 ： k u c 为综合系数1 3 ； t 为太阳轮单个齿传递的转距 辽宁工程技术大学硕士学位论文 i - - ( 酶蛳t a 气酶x 9 5 5 0 ( p n 1 ) xn 叫1 1 5 3 ) x 9 5 5 0 7 0 0 x 0 9 8 1 4 9 0 2 1 6 8 5 5 n m 0 - 3 ) 其中r i 为高速级行星齿轮传动效率，取q = 0 9 8 。 t i r d 一齿宽系数暂取b d , = 0 6 ； om i m = 1 4 7 0 m p a 也尸k “f r l k a k m k h ) ( u 土1 ) ，( y d x0l - n i m x0h h m x t o ) 们 2 7 6 8 x ( ( 1 6 8 5 5 x1 2 5 x1 1 5 x1 3 x ( 2 7 5 + 1 y ( 0 6 x1 4 7 0 x1 4 7 0 x 2 7 5 ) ) ” 2 1 1 4 4 9 m m ( 3 - 4 ) 模数 取 则 取 m 2d j z a = 1 1 4 4 9 1 6 = 7 1 5 ( 3 5 ) m - - 7 a o - - - m ( z a + 动2 研( i & _ 4 4 ) 2 - - 2 1 0 m m ( 3 - 6 ) a = 2 1 5 。 m a = 0 0 3 2 6 。 醅v d d , = 0 6 x1 6 x 7 = 6 0 2 4 8 ，取b = 6 5 g 计算变位系数 1 ) a - g 传动 啮合角c o s a q = a o ( c o s a ) a = 2 1 0 x c o s 2 0 。2 1 5 = o 9 1 7 8 3 9 3 ( 3 7 ) a q = 2 3 3 8 7 7 8 。 x 气z a + z g ) ( i n v a 罐- i n v 2 0 。) ( 2 m 2 0 。) = ( 1 6 + 4 4 ) ( ( i n v 2 3 3 8 7 7 8 。i n v 2 0 。) ( 2 x t a a 2 0 。) = 6 0x f 0 0 2 4 2 9 - 0 0 1 4 9 ) 0 7 2 7 9 4 0 7 7 4 0 ( 3 - 8 ) 中心距变动系数y 只a - a o ) m 辽宁工程技术大学硬士学位论文 = ( 2 1 5 - 2 1 0 ) 7 = 0 7 1 4 3 ( 3 9 ) 齿顶降低系数a y y = x - y = o 7 7 4 0 - 0 7 1 4 3 = o 0 5 9 7 0 1 0 ) 变位系数的选择： z a = 1 6 1 7 ，不产生根切的最小变位系数为： xi = b ( z m - z ) 乙m = 1x ( 1 7 - 1 6 ) 1 7 = o 0 5 9 ( 3 1 1 ) 取k = 0 5 ，则k = o 7 7 4 0 - 0 5 = 0 2 2 4 2 ) g - b 传动 a o = ( 1 0 5 - 4 4 ) 7 2 = 2 1 3 5 啮合角 c o s a 。= a o ( c o s a ) a = 2 1 3 5 x c o s 2 0 。2 1 5 = 0 9 3 3 1 3 6 6 ( 3 1 2 ) a q = 2 1 0 7 0 8 4 。 x 鼍z g - z o ( i n v a q - i n v 2 0 。) ( 2 x t a n 2 0 。) = ( 1 0 5 - 4 4 ) ( ( i n v 2 2 1 0 7 0 8 4 。- i n v 2 0 。) ( 2 x t 锄2 0 。) = 1 4 9 x ( 0 0 1 7 5 - 0 0 1 4 9 ) 0 7 2 7 9 0 2 1 7 9 r 3 - 1 3 ) 中心距变动系数y y - - - ( a - a o ) m = ( 2 1 5 - 2 1 3 5 ) 7 = o 2 1 4 3 ( 3 - 1 4 ) 齿顶降低系数x y y = x - y = o 2 1 7 9 0 2 1 4 3 = o 0 0 3 6 0 1 5 ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 x e = x e + x s = o 2 1 7 9 + 0 2 2 4 = o 4 4 1 9 ( 3 - 1 6 ) 3 4 几何参数的计算 分度圆d - - m z ( 3 1 7 ) 齿顶圆d a j 2 m 仳x 千a y ) ( 3 - 1 8 ) 齿根圆d a 一千2 m 呲+ x 干x y ( 3 1 9 ) 基圆直径d b - - d c o s a ( 3 - 2 0 ) 齿顶高系数： 太阳轮、行星轮一h = = l 内齿轮一戈= o 8 顶隙系数： 内齿轮叫= o 2 5 代入上组公式计算： 太阳轮 d = 1 6 x 7 = 1 1 2 r a m d a = 11 2 + 2x7 ( 1 + 0 5 - 0 0 5 9 7 ) 2 1 3 2 1 6 4 m m d d l l 2 2 7 ( 1 + o 2 5 - 0 5 ) 】 = 1 0 1 5 m m d b = 1 1 2 c o s 2 0 。= 1 0 5 2 4 6 m m 行星轮 d = 4 4 7 = 3 0 8 m m d = 3 0 8 + 2x7 ( 1 + 0 2 2 4 - 0 0 5 9 7 ) - 3 2 5 9 7 2 m m d f = 3 0 8 2 7 ( 1 + 0 2 5 - 0 2 2 4 ) = 2 9 3 6 3 6 m m d b = 3 0 s c o s 2 0 。= 2 8 9 4 2 5 m m 内齿轮 2 3 辽宁工程技术大学硕士学位论文 d = 1 0 4 x7 = 7 2 8 m m d a = 7 2 8 - 2x7 ( 0 g - o 4 4 1 9 + 0 0 0 3 6 ) = 7 2 2 9 3 6 m m d t = 7 2 8 + 2 x 7 ( 1 + 0 2 5 + 0 4 4 1 9 ) 】 = 7 6 5 6 8 7 m m d h - - 7 2 8 c o s 2 0 。= 6 8 4 0 9 6 r a m 齿宽b b = 0 6d x 肫= o 6 1 1 2 = 6 7 2 取b = 7 0 m m 计算结果： 高速级：x = 1 6 ；x b ；4 4 ；x ：1 0 4 ；m 尸7 ；b = 7 0 。 3 5 齿轮强度验算 齿轮强度校核包括齿轮齿面接触疲劳强度校核和齿轮齿根弯曲疲劳强度 胶核。齿轮强度校核按机械设计手册第三卷第2 3 篇齿轮传动的内容校核。 以下省去强度计算过程。 经计算齿轮参数满足强度要求。通过对以上两组结果比较，优化结果更 为合理，达到了减小减速器体积的目的。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 矿用两级行星减速器u g 三维特征建模的研究 u n i g r a p h i c s ( 简称u g ) 软件是集成化的c a d c a f , c a m 软件，它为工程 设计人员提供了非常强大的应用工具，这些工具对产品进行设计( 包括零件 设计和装配设计) 、工程分析( 有限元分析和运动机构分析) 、绘制工程图、 编制数控加工程序等。随着u g 软件的不断更新和功能的不断扩充，扩展了 软件的应用范围，面向专业化和智能化发展。 目前国际、国内应用最为广泛的大型之一，功能强大，内容丰富，涵盖 了从设计、分析、加工、管理等各个领域，除了通用模块之外，还提供了各 种专用模块，它的领先技术始终位于先进制造技术领域的前沿。使用u g 软 件进行产品设计的优点在于在设计过程中能直观的显示产品的外形，通过改 变参数修改产品外形：产品的u g 二维工作图完成后如果发现问题，只需要 修改产品的三维图的设计参数，利用u g 的刷新功能刷新产品的u g 二维工 作图即可。设计效率得到很大的提高。 4 1 主要零件的三维特征建模 直接生成实体的方法一般称作基本体素特征，只使用于简单形状的物体， 基本体素不能直接满足设计要求。 在设计复杂的形体是紧用基本体素特征是不够的，还需使用特征建模的 扫描特征、基准特征和成型特征等。才能设计出所需要的零件形状。 u g 的各种特征是逐步实现设计要求的过程，一般可以把零件设计想象 成一个加工过程：设计基体相当于设计“毛坯”，它是后续特征操作的实体； “粗加工”，这个阶段利用u g 的成型特征，这两步设计已经使零件的基本形 状显现出来；“精加工”，利用操作特征对零件进行处理。 以下两级行星齿轮减速器零部件三维建模按优化参数进行。 4 1 1 输入轴 由于草图具有特征的操作和可修改性。在设计较为复杂的零件时首先利 用u g 建模软件的草图绘制功能绘制输入轴的草图，以便在后续地设计过程 中通过修改草图驱动零件的模型达到最终的设计要求。 二维草图设计时，只要粗略画出零件轮廓的大致形状，精确尺寸约束控 制，通过几何约束和尺寸约束得到精确的二维几何形状。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 进行零件设计时首先要确定设计过程。零件二维草图设计过程流程如图 4 - l 所示。 打开u g 软件，新件一个文件，然后选择工具条中的m o d e l i n g 命令，进 入三维建模界面如图4 2 所示。在三维建模界面中按零件设计过程流程进行零 件设计。零件草图如图4 _ 3 所示。 析零件用什么方法设计 图在哪一层 查约束精度 图4 1 零件草图设计过程流程 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图4 - 2 三维建模界面 图4 - 3 输入轴草图 零件的二维草图设计完成后利用u g 建模软扫描特征中的r e v o l v e d b o d y 命令将草图旋转成实体，并利用u g 建模的其它建模特征细化输入轴的外形 结构，如图“所示。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图4 4 输入轴 同输入轴建模原理相同设计出高速级太阳轮、行星架、行星轮、内齿轮、 箱体。如图4 - 5 9 所示。 图4 5 高速级太阳轮 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图4 - 6 高速级行星架 图4 - 7 行星轮 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图4 - 8 内齿圈 3 0 图4 9 箱体 7 ) 低速级太阳轮及行星传动组件与对应的同功率的圆锥圆柱行星齿轮 减速器的低速级行星传动部分相同，其组件的三维装配模型，如图4 - 1 0 所示。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 2 减速器装配 图4 - 1 0 低速级行星组件 在u g 中装配的概念是指虚拟装配，所谓虚