基于ANSYS Workbench模態下的減速機振動分析

河北天擇重型機械有限公司 (邯鄲 056200) 呂 暉

減速機的振動特性是反映齒輪傳動裝置生產制作水平的重要性能指標之一。機械振動對減速機的性能有非常重要的影響，如果產生共振現象會造成輪齒的失效，甚至會造成整機的破壞。

模態分析是機器振動特性研究的一種方法，可以用于分析裝置的振形和固有頻率。模態參數可由試驗分析法或是有限元計算法獲得，試驗分析法需要制作出機器后進行多次信號采集及辨別來得到固有振動頻率和振形，通過多次試驗提取數據后對設計進行修改，可以達到優化的目的，需要的時間長，成本高;有限元計算法可在設計階段，沒有制作出機器的情況下利用有限元分析軟件進行模態分析，需要的時間短，成本低，這種方法具有廣泛的使用價值。

圖1 傳動原理圖

1.減速機參數

減速機傳動原理及設計參數:本例減速機的傳動形式為三級展開式圓錐——斜齒圓柱齒輪傳動，其傳動原理如圖1所示。額定功率P=125 kW，輸入轉速n=1500 r/min，各齒輪齒數為z1=21，z2=34，z3=20，z4=81，z5=17，z6=67。

2.各級齒輪的轉頻和嚙合頻率

齒輪轉頻計算公式為:轉頻=轉速/60，單位Hz;齒輪嚙合頻率計算公式為:嚙合頻率=轉頻×齒數。本例減速機計算結果如附表所示。

齒輪的轉頻和嚙合頻率表

3.箱體模型建立及邊界條件確定

(1)箱體模型建立 由于減速機箱體形狀復雜，使用ANSYS建模比較繁瑣，通過使用SolidWorks強大的三維制圖功能建立實體模型可以大大減少工作量。為了減少Workbench分析時的運算量，避免有限元模型建立時出現錯誤，在創建實體建模時對不影響箱體強度的一些輔助特征進行了簡化，如忽略了箱體上螺紋孔、回油槽以及箱體上存在的標牌等特征。簡化后的模型如圖2所示。

圖2 箱體三維實體模型

(2)在Workbench中賦予材料性能 箱體材料采用QT500—7，密度7300 kg/m3，E=1.50 ×105MPa，泊松比取0.3。將模型導入ANSYS Workbench環境下的模態分析模塊中，將材料的各項屬性賦予幾何模型。

(3)有限元網格模型建立 有限元模型建立時，網格的劃分是一個非常重要的環節，網格的劃分質量對分析結果的準確性有很大的影響。本減速箱采用了系統默認的Solid187單元，Solid187單元是一個高階三維10節點固體結構單元，具有二次位移模式，可以更好地模擬不規則的模型。選定單元以后，可以設定零件網格的劃分程度，網格劃分得越小求解就越準確，但是對計算機硬件要求越高，求解速度越慢。本例設定單元大小為2 mm，經過劃分單元后，共有283377個節點，171304個單元。網格劃分后的模型如圖3所示。

圖3 箱體網格化模型

(4)定義邊界約束并求解 箱體固定在支架上，在箱體一側面的4個螺栓連接孔面施加固定約束。由于低階模態的振動特性對減速器箱體的動力特性起決定性作用，故取箱體前10階固有頻率值。求解模型后得到減速機的前10階固有頻率如圖4所示。

圖4 前10階固有頻率圖

對比圖1和圖4可以看出，各齒輪的轉頻和嚙合頻率都遠離各階固有頻率，減速機不會發生共振現象。

4.結語

通過使用ANSYS Workbench對減速機進行了模態分析，得到減速機的前十階固有模態頻率圖，與減速機的轉頻和嚙合頻率進行對比分析，可以確定減速機是否會發生共振現象，這種方法對減速機的優化設計具有重要的指導意義。