黃建龍，孫付仲，吳志剛 

（蘭州理工大學機電工程學院，蘭州 730050）

摘  要：通過ANSYS對球磨機系統齒輪副的失效形式進行研究，得到在齒輪傳動副在靜態、模態及接觸分析時的特性，從而得出齒輪副在設計、制造和運行中薄弱環節，并提出延長齒輪壽命的方法。

關鍵詞：齒輪傳動；CAE技術；ANSYS；球磨機

 

 

球磨機是物料被破碎之后，再進行粉碎的關鍵設備。它廣泛應用于水泥，硅酸鹽制品，新型建筑材料、耐火材料、化肥、黑有色金屬選礦以及玻璃陶瓷等生產行業，對各種礦石和其它可磨性物料進行干式或濕式粉磨。齒輪副傳動是它的重要組成部分，它的重量、體積、成本在整機中占有很大的比重，其工作效率對球磨機的工作有很大的影響。本文利用CAE技術，通過對廣泛使用的￠2700*3600型球磨機齒輪傳動副進行靜態、模態及接觸分析，找出齒輪在設計和運行方面的薄弱環節，提出改進措施，使得CAE技術在齒輪傳動中得到應用。

 

球磨機齒輪傳動原理及出現的問題

本文采用的是￠2700*3600型球磨機為濕式格子板型，其傳動系統為半開式單邊傳動系統，其傳動結構簡圖如圖1所示，其中采用的電動機型號為TDM400-32，功率為400kw,轉速為187r/min.動力通過電動機1經聯軸器2傳給小齒輪3，再經過齒輪副傳動傳給固定在球磨機出料端的大齒圈4上，從而帶動球磨機轉動來完成礦石的粉磨工作。表1為兩齒輪的參數。

 

1 電機  2 聯軸器  3 小齒輪  4 大齒輪

圖1 球磨機傳動系統簡圖

 

表1. 齒輪的參數

參  數 類  型	齒 數 Z	模 數 m	壓力角α	齒 寬 B	齒頂高系數h	頂隙系數c	材質	精度等級
小齒輪	23	20	20	460	1	0.25	35simn	8
大齒輪	198	20	20	450	1	0.25	35鑄鋼	8

在生產運行過程中，球磨機傳動副存在許多問題，如齒面磨損、點蝕、輪齒折斷和齒面膠合等形式。這使得齒輪的使用壽命變短，小齒輪有的使用不到一年就失效，大齒輪使用不到四年也失效。

 

2 CAE技術對齒輪失效進行分析

CAE技術是以有限元分析技術為基礎，綜合了計算力學、計算數學、相關的工程管理學與現代計算技術而形成的一門綜合型、知識密集型的學科。ANSYS軟件是融結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用CAE有限元分析軟件。

下文通過ANSYS對小齒輪進行靜態、模態分析及對齒輪傳動副進行模態分析，找出齒輪副傳動失效的原因，從而在生產設計中改進。

2.1 三維建模并網格劃分

在ANSYS環境中采用自頂向下的建模方式建立小齒輪模型，并采用四節點四邊形板單元進行網格劃分，如圖2所示:

 

圖2 小齒輪模型及網格劃分

2.2 靜力分析

2.2.1 邊界條件及載荷設置

位移邊界條件：齒輪在工作過程中做圓周運動，受力位置在齒面處，因此要將內孔邊緣節點的軸向位移固定，在齒緣設置軸向轉速為187r/min。

力的邊界條件：因齒輪在工作時高速旋轉，因此齒輪應作用有高速旋轉引起的慣性載荷，轉矩大小為20223.53N.m。

邊界條件及載荷圖3所示：

 

圖3 邊界條件及載荷

2.2.2 靜力分析結果

對齒輪進行受力分析，應力分布圖如圖4所示。在圖中可以看到應力最大位置發生在齒根處，最大應力載荷為47.53MPa。在工作過程中，無論齒輪所受的載荷穩定與否，齒根彎曲應力均為變應力，在球磨機中齒輪所受的齒根應力為脈動循環變應力，因此在制造過程中，應在齒根處避免應力集中，同時要防止因裝配不當，在長時間運轉過程中導致輪齒在齒根處斷裂。

 

圖4 應力分布圖

2.3 模態分析

對齒輪進行模態分析，可得到齒輪的固有頻率，表2顯示了齒輪的前15階頻率。圖5（a）為頻率為8.4973時的應力分布圖，圖5(b)為在此頻率下的總變形圖。從應力分布圖中可以看到，齒根處應力最大，同時齒側兩端存在不對稱的應力分布，這導致在輪齒發生左右擺動，從總變形圖中可以看到齒頂變形最大，齒根次之，這種變形在工作過程中會產生輪齒間不均勻的接觸，產生振動。因此通過模態分析可以在齒輪運行過程中避開某些頻率，防止輪齒產生過大的振動，這樣可以減輕齒輪傳動過程中的噪聲。

表2. 前15階頻率

階數	1	2	3	4	5	6	7	8
頻率	0.4267	2.2499	2.2507	5.1542	5.1692	5.8288	5.8293	6.9441
階數	9	10	11	12	13	14	15
頻率	6.9461	7.3398	7.3762	7.3776	8.1405	8.1432	8.4973

 

（a）

 

(b)

圖5 頻率為8.4973時的模態狀況

2.4 接觸應力分析

在ANSYS環境中建立齒輪傳動模型并進行網格劃分，如圖6所示，將第一齒輪內徑固定，在周向施加0.2的位移載荷，同時將大齒輪進行全約束?？傻玫刃υ茍D如圖7所示，齒間的接觸應力分布如圖8所示，從圖中可以看到由于齒輪為漸開線齒輪，一對齒輪在運轉過程中，總是以主動輪齒廓根部的一點與從動輪齒廓的頂點開始嚙合，然后嚙合點的位置沿嚙合線向下移動，到達主動輪的齒頂時兩齒廓脫離接觸，可見在接觸狀態下齒輪的應力發生在單齒嚙合區的接觸最高點處。

在齒輪工作過程中，由于齒面接觸時應力過大，同時由于在嚙合過程中存在相互滑動，齒面由此產生摩擦導致齒面磨損。當有金屬顆?；蚧覊m等異物落入相嚙合的齒面之間，會導致齒面的磨粒磨損，因此應采取有效措施防止損害齒面。

 

圖6 齒輪接觸模型及網格劃分

 

圖7 等效應力云圖

 

圖8 齒間接觸應力分布圖

 

3  改進措施

通過上述ANSYS的靜力，模態及接觸分析結果，可以得到采取以下措施防止齒輪過早失效。

（1）將齒輪傳動系統由半開式改為封閉式，防止粉塵進入齒輪副的嚙合面之間，同時改進球磨機襯板螺栓的封閉結構，杜絕球磨機漏漿現象的發生，最大限度的減少磨粒磨損現象的發生。

（2）對齒輪采用必要的熱處理工藝，進行表面強化處理，能有效提高齒面的接觸疲勞強度。

（3）在齒輪加工時，對齒根處進行適當的倒角，并進行強化處理，提高齒根彎曲疲勞強度，防止在長時間運行時出現齒根斷裂現象。

（4）在滾齒機運轉的過程中，防止在固有頻率附近旋轉，造成輪齒振動而產生較大噪聲，影響齒輪壽命。

 

4  結論

通過CAE技術的分析我們可以得到以下結論：

（1）通過靜力分析，可知齒輪傳動過程中齒根處所受應力最大，可能會產生齒根斷裂。

（2）通過模態分析，可知齒輪振動特性及產生噪聲的原因。

（3）通過接觸應力分析，可知在齒輪傳動過程中，應力最大分布在單齒嚙合區的最高點處，可能導致齒面磨損等失效形式。

（4）通過分析，對傳動中的齒輪及工作環境進行改進，可以在很大程度上減少齒輪過早失效，從而提高齒輪壽命。

 

參考文獻：

[1]. 黃建龍，閆存富.  對球磨機傳動齒輪副失效形式的分析及改進[J]. 礦業工程 2007.5

[2]. 邱宣懷，郭可謙，吳宗澤等.機械設計[M].高等教育出版社，1997，7

[3]. 胡仁喜等..ANSYS8.2機械設計高級應用實例[M]．北京：機械工業出版社，2005

[4]. MARKWD，REAGORCP，MCPHERSONDR．Assessing the role of plastic deformation in gear health monitoring by precision measurement of failed gears[J]．Mechanical Systems and Signal Processing　2007,21(1):177-192

 

作者簡介：

黃建龍，1951年1月生，河南新鄭市人，蘭州理工大學機電工程學院教授，博士生導師，甘肅省工業經濟發展研究院執行副院長，曾任甘肅工業大學人事處處長，機電工程學院院長。主要研究方向“理論與成套機械裝備的設計與開發”、“機械可靠性設計理論與方法”。承擔國家重點科研項目“機械反饋滾齒機”、“高精度滾齒機”、“裂紋技術的基本原理與應力斷料機”等。孫付仲、吳志剛  蘭州理工大學機電工程學院09級碩士研究生地址：甘肅省蘭州市蘭州理工大學（校本部），聯系人：孫付仲。

—文章來自CAE工程技術分析年會第六屆論文集

來源數字仿真聯盟