热门关键词:

风力发电机组增速箱斜齿内啮合齿轮副接触强度分析

  • 该文件为pdf格式
  • 文件大小:896.51KB
  • 浏览次数
  • 发布时间:2014-08-04
文件介绍:

本资料包含pdf文件1个,下载需要1积分

158机械设计与制造Machinery Design & Manufacture第 1O期2013年 l0月风力发电机组增速箱斜齿内啮合齿轮副接触强度分析谢 琨’,王世杰 ,白俊峰 ,郭月红(1.沈阳工业大学 机械工程学院,辽宁 沈阳 110870;2.大连华锐重工集团股份有限公司 港口机械设计院,辽宁 大连 116013)摘 要:因强度不足而使齿轮磨损失效是风力发电机组增速箱中渐开线斜齿内齿轮啮合传动中常见的问题。遵循接触疲劳强度有限元分析基本流程,利用Pro/E建立斜齿内齿轮的三维立体模型并导入ANSYS分析软件中。通过对齿轮对进行接触非线性有限元分析,获得接触应力云图并判断斜齿内齿轮啮合瞬间最大应力发生的轮齿部位,确定最大应力值,并与传统齿轮强度计算方法计算出的结果进行比较,为齿轮的设计提供了理论依据,为日后风机的设计奠定坚实的基础。

关键词:渐开线斜齿内齿轮;接触强度分析;有限元法中图分类号:TH16;TM315 文献标识码:A 文章编号:1001—3997(2013)10—0158—02Contact Stress and Analysis of Helical Internal Gear Pair in Wind Motor IncreaserXIE Kun ,WANG Shi-jie ,BAI Jun-feng ,GUO Yue-hong(School of Mechanical Engineering,Shenyang University of Technology,Liaoning Shenyang 1 10870,China;2.Dalian Huarui Heavy Industry Group Co.,Ltd.,Port Machinery—Design Institute,Liaoning Dalian 116013,China)Abstract:Gear failure because of the strength deficiency is a very common problem in the involute helical internal gearsengagingwhich is used ingear box ofthe wind motor.Based on the contactfinite element analyticprocess,the helical internalgears’3D stereoscopic model is established by Pro/E and lead into the ANSYS analytic software.After non-liner contactfiniteelement analytic is pe~Cormed,the nephograms ofthe contact stress is obtained and the maximum stress position ofthe helicalinternal gears is determined.The mtlNimum stress position is compared with the traditional gear strength calculation results toprovide a basis ifthe designgearis reasonable andlay a solidfoundationofthe wind motorinthefuture.

Key W ords:Involute Helical Internal Gear;Contact Strength Analysis;Finite Element M ethod1引言齿轮的承载能力受到接触强度和弯曲强度的影响和限制【1。

传统的齿轮强度分析方法是在弹性力学知识的基础上,建立两个平行齿轮并进行对压的模型,并根据赫兹公式进行计算。因为在计算过程中存在很多假设,整个计算过程并不能准确地反映出齿轮啮合过程中应力和应变的变化与分布[21。有限元法具有直观、准确、快速、方便等优点。历年来 ,国内外有很多研究者对齿轮啮合过程中的接触应力做过分析,取得了丰硕的成果。其中有限元法得到了普遍的应用,虽然不乏三维条件下对齿轮的接触应力进行分析,但缺少了利用 Pro/E导入ANSYS以减少误差和齿面上应力的三维分布。另外,有关斜齿内啮合的实例更是稀少。

在有限元弹性接触分析理论的基础下,创建出斜齿内啮合齿轮有限元模型,以此得到齿面接触应力,并为齿轮的设计以及日后风力发电机组增速箱设计提供理论依据[31。

2斜齿内齿轮副的三维实体建模首先,利用Pm/E进行参数化建模,构建了一对精确内啮合的斜齿圆柱齿轮副,将建立好的Pro/E模型利用 Pro/E与 ANSYS的接口技术导人至 ANSYS软件中进行分析。斜齿内啮合齿轮的主要参数,如表1所示。

表 1斜齿圆柱齿轮副算例的主要参数Tab.1 Main Parameters of Helical Cylidrical Gear Case在建立模型的过程中,只需要建立在某一时刻斜齿轮的两对齿相啮合的有限元模型,并通过适当的方式,对模型进行简化处理,减小了实际模型的大小,并且有效地提高了计算效率14]。

3斜齿内齿轮的接触强度有限元分析斜齿内啮合齿轮传动强度计算的基本原理与直齿圆柱齿轮传动的计算原理相类似,均为按照轮齿的法面进行分析研究 。但来稿 日期:2012—12—04作者简介:谢 琨,(1987一),女,吉林德惠人,硕士研究生,主要研究方向:机械电子工程;王世杰,(1965一),男,辽宁沈阳人,教授,博士生导师,主要研究方向:机械传动及智能控制、CAD/CAPP/CAM及其集成技术研究第 1O期 谢 琨等:风力发电机组增速箱斜齿内啮合齿轮副接触强度分析 l59是斜齿内啮合齿轮传动重合度较大,同时相啮合的轮齿较多,轮齿的接触线是倾斜的,而且由于齿轮在法面的当量齿轮分度圆半径也较大,因此,相比于直齿轮,斜齿轮的接触应力与弯曲应力也有所降低。

3.1定义单元属性在建立有限元模型的过程中,首先要定义合理的单元属性,这包括单元实常数、单元类型、材料属性等。依据分析,三维齿轮体的接触属于面一面接触,因此建模时选用SOLIDI85单元。接触单元和目标单元分别定义为 CONTACT174和TARGET170单元。将主、从动斜齿轮定义为相同的材料属性,选定齿轮副的材料均为 45#钢 ,所以材料的弹性模量为 2.1xl0 MPa,泊松比为 0.3,密度为 7.85xl0~'kg/mm 。

3.2网格的划分对模型进行有限元分析的过程中,网格划分是最重要的步骤之一,网格划分的好坏直接影响分析结果的准确度和下一步能否进行优化分析以及结果的准确性I6I。利用 MESHTOOL工具.使过渡区域网格变化缓慢,同一区域网格变化均匀。这里对总体网格尺寸设置为 5,并对啮合区局部网格细化,以保证计算结果的精确,划分网格后的结果,如图 1所示。

图 1划分网格后的模型Fig.1 Model after the Meshing3.3创建接触对ANSYS软件的接触分析功能是优于其它有限元分析软件的。要进行接触分析必须建立齿廓接触对:首先,要判断模型在变形期间哪些地方可能发生接触,并且识别出潜在的接触对;之后,定义目标单元和接触单元,跟踪变形阶段的运动 。接触单元使用CONTACTI74,目标单元使用TARGETI70。这里分别选中斜齿内啮合齿轮副的齿面作为接触单元和目标单元来建立接触关系,并设置摩擦系数为 0.2。

3.4施加载荷与约束正确地施加载荷、约束是进行有限元分析的关键技术之一 ,因为得到齿轮在外加边界条件下的响应是有限元分析的主要目的Im。通过对主、从动轮的内孑L施加相应的位移 、等效转矩来模拟实际工作情况。

在静态分析中,假设从动轮在主动轮与之啮合的瞬间是不动的,此时.只需要考虑主动轮的驱动力矩.而从动轮需要约束其所有自由度191。首先将主动轮内孑L上的所有节点转换到柱坐标系下,使其径向位移为0。另外通过施加等效转矩来代替负载转矩。

从动轮要在圆心处建立局部坐标系,使其内孔上所有节点的径向位移和周向位移都为0。施加载荷与约束后的齿轮接触有限元模型,如图 2所示。

图2约束后的斜齿齿轮副有限元模型Fig.2 The Finite Element Model of the Helical InternalGear Pair after Constraint Being Applied4啮合齿轮副接触有限元分析选择牛顿迭代法对齿轮内啮合进行接触分析。求解时.将求解器的 ANALYSIS OPTION指定为 LARGE DISPLACEMENT ST-ATIC,在 NUMBER OF SUBSTEPS选项定义20个载荷子步。通过非线性计算可以得到齿轮副的应力分布云图,如图 3所示。

图 3斜齿齿轮副接触应力云图Fig.3 Contact Stress Nephogram of theHelical Internal Gear Pair从上述结果可以看出,该斜齿内齿轮啮合过程中的最大接触主应力 一为 139MPa,应力最大点出现在齿轮啮合齿端,因此弯曲强度最弱并容易出现这段的部位为主动轮齿端齿根处。传统强度计算中,一对钢制标准斜齿轮传动的齿面接触应力为:O"H=305 3互 5 fO"n]一 对钢制标准斜齿轮传动的齿轮弯曲强度条件为:: . .. .
1.6KTj Y
I_
rco

s/3 (2)F一 , , 一 ’ 一 1一 1 ? Dm
ndl bm]z利用传统应力计算得出的最大接触应力为 126MPa。接触有限元法的计算前提为准确的边界条件以及初始条件和精确的三维有限元接触模型,因此,相比于传统的计算方式可以更快更准确的得到结果,齿轮接触应力的分布情况可以更加清晰直观地展示出来,有效地提高了工程结构分析计算的效率。

5结论以有限元非线性接触分析理论为基础,通过 Pro/E三维制图软件建立多齿对啮合斜齿轮内齿轮接触有限元模型,通过 Pro/E与 ANSYS接口技术导人 ANSYS分析软件中,快速、准确地计算出斜齿轮的齿根最大弯曲应力,得到斜齿内齿轮啮合过程中的接触应力云图,确定了应力最大点发生在齿轮啮人齿端,得出了主动轮齿端齿根处的弯曲强度最弱的结论,因此要延长齿轮寿命必须提高齿根强度。此计算方法结果准确直观,与传统方法相比具有明显优势。 (下转第 162页)l62 机械设计与制造No.100ct.20l 3图7二阶模态(72.6Hz)一床身水平方向扭动Fig.7 Second—Order Modal(72.6Hz)一Bed Moves Left andRight in the Horizontal Direction对比有限元方法与试验方法计算得到的频率和振型可以看出,有限元方法与试验测得的结果基本吻合,误差如表 2所示。

表2仿真与试验对比Tab.2 Comparison Between the Simulation and Test5结束语通过应用 Hypermesh软件建立床身有限元模型,采用Nastran软件计算床身前两阶模态,并与试验数据进行对比,验证了床身有限元模型的准确性,提供了一种建立床身地脚模型的新方法。也为机床整机模态分析及动态响应分析打下了良好的基础。后续工作中,可以此模型为基础,通过改变地脚孔位置等方法来提高床身一阶固有频率,节约了试验费用,降低了成本,也为设计人员能提供了一种预判床身动态性能的方法。

参考文献[1]李文斌 ,谢丽丽.高速切削技术与数控机床发展趋势[J].机械设计 ,2003.20(7):45—46.

(LiWen—bin,XieLi-li.DevelopmenttrendofHigh speedcutingteehnol-ogy and numerical control machinetool[J].Mechanical Design,2003,20(7):45-46.)[2]杨捕 ,唐恒龄,廖伯瑜.机床动力学(I)[M].北京:机械工业出版社 ,1983(6).

(Yang Su.Tang Heng—ling.Liao Bo—yu.Machine Tool Dynamics(I)[M].Beijing:MechanicalIndustryPress,1983(6).)[3 J顾海明,周勇军.械振动理论与应用[M].南京:东南大学出版社,2007(2).

(Gu Hai—ming,Zhou Yong-jnn.Machinery Vibration Theory andApplication[M].Nanjing:Southeast University Press,2007(2).)[4]田利思,李相辉,马越峰.MSC Nastran动力分析指南[Mj.北京:中国水利水电出版社,2012(3).

(Tian Li-si,Li Xiang-hui,Ma Yue—feng.MSC Nastran Guide for theDynamic Analysis[M].Beijing:China Water Conservancy and HydropowerPress.2012(3).)[5]z.M.Levina.机床结合面的静态特性研究[J].MTDR Conf,1967(8):44—46.

(z.M.Levina.Research on the static stifness ofjoints in machine tool[J].

MTDR Conf,1967(8):44—46.)[6]张耀满,旭东,光起扁速机床有限元分析及动态性能实验[n组合机床与自动化加工技术,2004(12):16—17.

(Zhang Yao-man,Xu Dang,Guang Qi.Finite element analysis and thehigh speed machine tool dynamic performance experiment lJj.

Combination Machine Tools and Automatic Processing Technology,2004 (12):16—17.)[7]解志文.高速电主轴动静态特性的有限元分析[JJ_哈尔滨:【业大学学报,2005.

(Xie Zhi-wen.High speed motorized spindle dynamic and staticcharacteristics offinite element analysis [J J.Journal of Harbin InstituteofTechnology,2005.)[8]刘启伟.数控车床主轴系统热特性有限元分析及验证[Jj.机械设 汁与制造,2013(2):l8—2O.

(Liu Qi-wei.Thermal characteristics of CNC lathe spindle system finiteelementanalysisandverifcation[J].MachineryDesignandManufacture,2013(2):18—20.)(上接第 159页)参考文献[1]于华波,高奇帅,柳冬威.基于ANSYS的渐开线斜齿轮的齿根应力分析[J].机械设计与制造,2009(1):84—86.

(Yu Hua-bo,Gao Qia-shuai,Liu Dong—wei.Tooth root stress analysis ofinvolute helical gearbased on ANSYS[J].Machinery Design&Manufact-ure,2009(1):84—86.)[2]凡增辉,赵熙雍,晏红文.基于ANSYS的斜齿接触有限元分析[n机械传动,2010,34(4):68—70.

(FanZeng—hui,ZhaoXi-yong,YanHang—wen.The contactfinite elementanalysis of helical gear based on ANSYS [J].Journal of MechanicalTransmission,2010,34(4):68—70.)l 3 j Wang Jian D,Ian M.Howard.Eror analysis on finite element modeling ofinvolute spur gears【Jj.Journal of Mechanical Design。Trans of ASME,2006,128(1):90—96.

[4J Li Shu—ring,Gear contact model and loaded tooth contact analysis of athree-dimensional,thin—rimmed gear[J].Journal of Mechanical Design,Trans ofASME。2002(12):1362—1364.

[5]严国平,刘正林,朱汉华.大型船用斜齿轮参数化建模及其接触有限元分析[Jj_武汉理工大学学报,2007,31(2):198—201.

(Yan Guo-ping,LiuZheng-lin,ZhuHan—hua.Parametermodelingandfinite element contact analysis of large scale marine helk-al gears_J].

JournalofWuhanUniversity ofTechnology,2007,31(2):198—201.)[6]吴卓,刘广利.基于 PRO/E与ANSYS渐开线直齿圆柱齿轮的模态分析[Jj.科学技术与工程,2009,9(8):5476—5478.

(Wu Zhuo,Liu Guang—li.Involute spur gear modal analysis based onPRO/E and ANSYS [J].Science Technology and Engineering,2009,9(8):5476—5478.)[7]姚兴佳,刘光德,邢作霞.大型变速风力发电机组总体设计中的几个问题探讨[J].沈阳工业大学学报,2006,28(2):196—201.

(Yao Xing ia,Liu Guang—de,Xing Zuo-xia.Discussion on generaldesign oflarge scale variable speedwindturbine[J J.Journal ofShenyangUniversity ofTechnology,2006,28(2):196-201.)[8]叶杭冶风 力发电机组的控制技术[M].北京:机械工业出版社 ,2002.

(Ye Hang-ye.Control Technology of Wind Turbine Generator SystemlM J.Beijing:ChinaMaehinePress,2002.)[9]Woods J L,Daniewicz S R,Nellums R.Increasing the bending fatiguestrength of carburized spur gear teeth by preseting lJ J.InternationalJournal ofFatigue.1999.21(6):549—556.

正在加载...请等待或刷新页面...
发表评论
验证码 验证码加载失败