潜油减速器优化设计及动力学分析

1、西安石油大学硕士学位论文潜油减速器优化设计及动力学分析姓名:许俊如申请学位级别:硕士专业:机械电子工程指导教师:徐建宁20070515 第一章潜油减速器盼优化设计行星架、内齿圈、行譬轮轴以及轴承等。为了进行轴、轴承以及各个齿轮的强度计算和校核,需要分析行星齿轮传动中各构件的负荷情况。在分析计算中假设各个行星轮的载荷均匀相等,这样可以简化阿题,只需要分析一个行星齿轮的受力情况即可,其他情况类同(略去摩擦力。各构件在输入转矩作用下处于平衡状态,构件阃的作用力等于反作用力。2.8潜油减速器优化设计软件潜油减速器优化设计软件通过VB来实现,如图抖图214,该软件的具体功能如下:1图卜9为潜油减速器优化

2、设计软件的进入界面; |鳘|卜9优化软州界面幽2一10优化软件J.作界面 图2_11优化软件1:作界面图212优化软件r佧界面蹦安彳i油人学硕十学位论文 图2一13优化软件丁作界面图214优化软件工作界面2图卜10为潜油减速器优化设计软件的功能界面,包括有传动类型的选择、配齿计算、计算齿轮的主要参数、峨合参数计算、几何尺寸计算、装配条件验算、传动效率计算、齿轮强度校核、传动比分配这几个主要功能;3图21l为潜油减速器二级部分己知条件得输入界面,其中主要包括:输入转速、输m转速(传动比、功率、工作要求、工况要求,材料等;4图2一12为潜油减速器传动比的分配界面;5图2一13为潜油减速器二级部分主

3、要参数的计算;6图2一14为潜油减速器二级部分齿轮接触强度和齿根弯曲强度校核。本软件简单实现了潜油减速器的优化计算,但参数的优化计算结合matlab的优化工具箱提供的函数更简洁方便,本软件简洁明了,可以很直观的表现结果,通用性强,更改方便。可以实现本潜油减速器的参数计算和强度梭核,而且对于行星齿轮传动的减速器具有很好的参考价值,町以根掘具体传动形式的不同进行添加和改进。2.9小结根掘潜油减速器的工况特点,选用2K-H类NGW型行星齿轮传动来实现减速器。通过模糊优化算法进行优化参数,得到潜油减速器具体参数,潜油减速器二级部分的输入转速为62"1.158r/min,传动比i=3.4783

4、(输fH转速178.58r/rain,输入功率为37KW,得到潜油减速器二二绂部分的具体参数,为下边的动力学分析提供了实体基础。第三章潜油减速器系统的动力学模型第三章潜油减速器系统的动力学模型潜油减速器系统即行星齿轮传动结构紧凑,体积小,传动效率高,功率大,是一种广泛应用的齿轮传动形式。图卜1图_2是潜油行星减速器二级部分,由太阳轮、内齿圈、行星架和五个行星轮组成。任何一个太阳轮、内齿圈、行星架都可作为输入或输出构件。系统中同时存在内、外啮合齿轮副,功率经多个行星轮既分流又汇流而同轴输出,且存在行星架的动坐标系,因此其动态特性远较其他齿轮传动系统复杂。本章主要建立行星齿轮传动系统的动力学模型,

5、并对模型中各参数的计算进行了讨论和研究,为后面进行动力学分析提供基础。 图3一l二级行星齿轮减速器图 图32二级减速器装配模型部分图 第四章潜油减速器系统的动力学分析 图42二级减速器有限元网格在完整地建立了二级潜油减速器系统后对有限元分析中不考虑或对分析影响甚微的结构特征进行简化处理。该潜油减速器系统由太阳轮、行星轮、内齿圈和行星架组合而成,结构比较复杂,建模时不考虑内齿圈与箱体、齿轮轴与轴承接合部的影响。这些处理不会对齿轮箱体的重量及刚度产生大的影响,完全能保证足够的计算精度。由于齿轮模型在建模过程中加以简化,虽然不会影响动力响应计算结果,但由于其啮合关系对模态分析时的振型有一定影响,因此

6、,还必须保证啮合齿轮对在对应节点切向和径向上变形协调。对潜油减速器系统划分有限元网格后,还必须对整个网格模型进行检查,从而保证计算结果的真实性和准确性。首先检查自由单元边,当单元的某一边不在其它一单元之内时,称为自由单元边。在复杂模型的建立过程中,通过拉伸旋转等操作产生的各个部件,有时会没有连接在一起,这将导致有限元模型丌裂,影响计算结果,严重时将使计算失败。其次检查重复单元、重复节点,根掘情况决定是否将它们合并在一起。最后检查单元的划分质量,检查单元法向是否一致、单元的长宽比、翘曲度、倾斜角以及锥度等指标,由于过度扭曲的单元将影响计算精度,因此必须并将其修改为可以接受的形状。模念分析的建模过

7、程与其他分析的建模过程相类似,但在模态分析中应注意两个问题:模态分析属于线性分析,即在模态分析过程中只有线性行为是有效的,如果在分析中指定了非线性单元,程序在计算过程中将忽略其非线性行为并将该单元作为线性单元处理。例如,如果分析中包含接触单元,则刚度矩阵在分析过程中处于初始状态并保持不变。在模念分析中,材料的性质可以是线性的、非线性的、恒定的或与温度有关的。在分析中必须指定弹性模量EX和密度DENS,但非线性性质将被忽略。4.3潜油减速器系统的模态分析在建立潜油减速器系统的有限元模型,并进行网格划分后,对潜油减速器系统进行加载和求解,首先进行模念分析设置,定义分析类型为模态,采用Block L

8、anczos法提取模态,先提取潜油减速器系统的10阶频率和主振型;然后进行边界条件的设置,对于本 第四章潜油减速器系统的动力学分析表41二级减速器前15阶固有频率和振型模态固有频率(Hz振型10内齿圈轴向弯曲、径向膨胀DMX=1.277 20行星架径向膨胀DMX-0.69 30内齿圈轴向弯曲、径向膨胀DMX=1.174 40行星轮径向膨胀DMX=2.38 50行星架径向弯曲膨胀DMX-0.652 6O内齿圈径向弯曲膨胀DMX=I.301 733内齿网轴向振动DMX=0.924 838行星轮轴轴向弯曲DMX=3.479 940行星架径向膨胀、轴向弯曲DMX=0.915 1045行星轮轴径向弯曲D

9、MX=1.639 1130内齿圈径向膨胀扭曲DMX=1.406 1233内齿圈轴向膨胀DMX=1.383 1338行星架径向膨胀DMX=0.939 1441太阳轮轴径向膨胀弯曲DMX=1.525 1545行星轮轴径向弯曲DMX=3.973图4-_3第一阶图45第三阶37图44第二阶 图4_一6第四阶曲安II油人学硕十学位论文 第四章潜油减速器系统的动力学分析 图417第十五阶由结果并结合振动理论可知,结构的低阶模态对振动响应影响较大,高阶模态的影响很小,在工程应用中,可以忽略不计。本文在计算时,只取了潜油减速器系统的前15阶固有模态作为分析对象,从模态分析的结果可以看出,内齿圈和行星架是系统中

10、振动较剧烈的薄弱环节,行星轮轴的径向振动在第八阶逐渐显示出来,也是潜油减速器中应该重点考虑的,他可以与行星架一起进行考虑。因此在潜油减速器设计过程,应重点进行内齿圈,行星架的结构设计和强度校核,动力响应计算。4.5小结通过对潜油减速器二级部分进行模态分析,得出了影响系统振动的前15阶频率和振型,其中前6阶为刚体模态,不起作用,从第7阶到15阶为实际模态,对系统起作用。由于本系统最大输入转速为621.158r/min,对应得频率远小于实际模态对应得频率,从而得出系统不会发生共振,系统处于稳定状态。曲安打油人学硕十学位论文第五章潜油减速器关键零件的有限元分析本文结合Pro/E和Ansys进行实体建

11、模和有限元分析,首先利用Pro/E建立潜油减速器关键零件:齿轮轴和行星架的三维实体模型,然后通过软件专用数据接口导入Ansys,对潜油减速器关键零件齿轮轴和行星架进行有限元分析。建立的实体模型如图: 图51齿轮轴的实体模型图53行星轮的实体模型图52内齿圈的实体模型 图54行星架的实体模型 图55行星轮轴的实体模型图56二级减速器装配模型40第五章潜油减速器关键零件的有限元分析 图5-7二级减速器装配模型部分图5.1潜油减速器齿轮轴的有限元分析5.1.1潜油减速器齿轮轴的静力学分析1潜油减速器几何参数潜油行星减速器主要几何参数确定如表卜1:2齿轮轴有限元分析齿轮轴的材料为45CrNiMoVA,

12、左端齿轮齿面渗碳淬火,齿面硬度HRC=58,-62,查表可以确定接触疲劳极限为仃日抽=1500MPa,弯曲疲劳极限应力为d,=450MPm花键部分表面高频淬火HB32瞻360,齿轮轴其余部分渗碳淬火硬度为HRC40HRCA2“”。齿轮轴的输入功率从右端花键端输入,功率为37KW,材料的弹性模量为2.06Ell,泊松比为0.3,材料的密度为7800kg/m3,齿轮轴的结构如图卜8所示:齿轮中心轮行星轮中心轮齿数231757模数(mm222齿宽(mm494949分度圆直径(4634114图58齿轮轴结构图功率从右端花键输入转矩,功率为37kw,输入转速为621.158r/rain,;左端为齿轮,西

13、安石油大学硕士学位论文通过与行星轮啮合,行星轮架输出动力。3建立齿轮轴有限元模型在建立齿轮有限元物理模型前,基于弹性理论,为了简化问题求解,提出如下假设:(1齿轮材料是各向同性的。(2齿轮材料是连续的、均匀的。(3齿轮齿面接触线上各点的变形均沿齿廓表面的法线方向。(4齿轮接触载荷沿齿面法线方向。(5不计算齿轮啮合时齿面上的摩擦力。4实体建模根据以上主要几何参数,利用pro/e建立潜油减速器齿轮轴三维实体模型。然后,通过专用数据接13导入ANSYS。建立的实体模型如图卜_9: 图59齿轮轴实体模型5模型的网格划分确定有限元单元网格时主要考虑对计算精度的要求。计算齿形的复杂程度及计算时间等诸多因素

14、,ANSYS程序为用户提供了多种三维有限元网格划分模式,同时可以人为地控制实体网格单元大小和疏密程度.在齿轮受力较大的部分应将网格加密,以便提高计算精度。针对潜油减速器实际情况,本文中采用智能网格划分,由于节点多,计算量大,不宜采用过细的网格,在此采用三角形网格进行划分,网格划分如图510: 图5一l0齿轮轴的有限元网格 西安石油大学硕士学位论文 图5-11齿轮轴的节点位移云图图5-12齿轮轴的VonMises应力云图5.1.2潜油减速器齿轮轴的模态分析Ansys模态分析用来在一个结构或者一个机器构件的设计时确定它的自振频率和振型,模态分析也可以作为更详细的动力分析的前奏,比如瞬态动力分析,谐

15、谱相应分析或谱分析。Ansys的模态分析是一个线性分析,因此在模态分析中,任何非线性特性,例如塑性和接触单元,即使定义了也会被忽略。Ansys提供了7种模态分析方法,他们分别是子空fBJ法、分块Lanczos方法、PowerDynamics方法,缩减法、非对称法、阻尼法和QR 阻尼法。可以对有预应力的结构进行分析和对循环对称结构进行模态分析1。1模态分析过程:(1模态分析的定义及应用模态分析用于确定设计结构或机械部件的振动特性,即结构的固有频率和振型,他们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。在进行谱分析或用模态叠加法求谐响应和瞬态分析的时候,模态分析时必不可少的。Ansys可以对预应力的结构进

16、行模态分析,比如对一个旋转的涡轮叶片进行模态分析。另外,对于一个循环对称的模型,可以只对其一部分进行建模,而察看整个对称模型的模态形状。(2建模首先,指定工程名称和分析标题,然后在前处理中定义单元类型,单元实常数,材料性质和模型集合性质,建立模型中注意以下几点:模态分析中只包括线性行为的分析。模态分析中材料模型可以是线性的、各向同性的或各向异性的、恒定的或温度相关的。但是必须定义杨氏模量EX或其他形式的硬度以及密度DENS或其他形式的质量。Ansys在模态分析中,非线性总是被忽略。如果施加单元阻尼,必须定义这些特定单元的所需实常数,比如COMBIN7,COMBINl4,COMBIN37单元等。

17、(3加载及求解这一步要定义分析类型和分析选型,施加加载,指定加载步选项,然后进行有限元第五章潜油减速器关键零件的有限元分析计算求解固有频率。在求解结束后,要扩展模态以便观察。(4观察结果经过模态扩展以后的模态分析结果被写入到结构分析的结果文件中去,其中包括:固有频率、扩展模态形状、相对应力和力的分布。2齿轮轴的模态分析结果齿轮轴的模态分析结果如下图及表54:图7.13一阶应力图图5一15二阶位移图517三阶应力图514一阶位移图图516二阶应力图 图518三阶位移婀安_i油人学硕十学位论文 图519四阶位移图520四阶应力 图521五阶应力图522五阶位移表54齿轮轴的频率及主振型模态同有频率(Hz振删1825齿轮轴末端左右摇摆,DMX=O.521e-42830齿轮轴术端上卜I摇摆,DMX-O.520e.432154齿轮轴前端左也摇摆,DMX-O.153E.442171齿轮轴前端上F摇捏,DMX=0.153E.454466齿轮轴术端蛇形弯曲,DMX=O.63e.5模念分析结果表明,齿轮轴的输入端和齿轮动力输出端是很容易引起振动的地方,出于本潜油行星减速系统的大功率、低转速、大扭矩的特点,因此要合理设计齿轮轴的悬臂粱的长度,以免振动过大,即合理设计轴肩的位置,使振动最小。3潜油