基于NX Nastran的礦用井下裝載機變速器有限元分析

摘 要：本文以礦用井下裝載機變速器為研究對象，主要基于有限元方法對變速器進行數字化建模，并對變速器零部件的結構強度和動態特性進行有限元分析，通過應力圖和云圖找出結構設計的問題所在，對相關結構直接進行改進，滿足井下復雜工況下的應用。

關鍵詞：井下裝載機；變速器；有限元分析

礦用井下裝載機是一種一種矮車身、中央鉸接、前段裝載的裝、運、卸聯合作業設備。動力傳動系統是車輛中最復雜和關鍵的系統之一，也一直是車輛工程中的前沿、關鍵技術和亟待解決的重要科學研究對象。本文主要應用UG軟件二次開發對變速器箱體、漸開線斜齒輪和軸類零部件進行實體建模，并進行模擬裝配。然后應用NX Nastran進行變速器箱體的結構強度和動態特性的求解分析。

隨著我國采礦工業的發展，對井下采礦和運輸機械設備的需求量越來越大，在技術和可靠性上的要求也進一步提高。為縮小與國外產品差距、加快工程機械自主化研發速度、提高我國井下裝載設備的設計和制造水平、提高采礦生產率和降低成本，本文以井下裝載機傳動核心—動力換檔變速器為研究對象。動力換檔變速器在特定的工作環境和裝載工況下頻繁換擋，變速器的工作性能和可靠性決定了整機的性能和壽命，所以對變速器的研究至關重要。

1 變速器模型的建立

1.1 變速器的介紹

本文是以井下裝載機、鏟運機的定軸式動力換擋變速器，是應用于非公路工作條件下的變速器，其強度和可靠性高的特點適用工程機械的工況多、載荷大、在工作過程中頻繁的變換檔的工作環境。因此該類型變速器在地下裝載機中廣泛應用。該液力變速器由液力變矩器、動力換擋變速箱（變速箱箱體、前殼和齒輪離合器部件）、操縱閥等部分組成。該變速器的軸系是定軸式布置的，這樣就減小了箱體的軸向尺寸，使軸部件的布置更加緊湊，且符合箱體內部空間的要求?？倷C在工作過程中需要降軸且為四驅，即前后橋都需要動力輸出，定軸式變速器滿足這一要求。

1.2 變速器的數字化建模

變速器箱體是鑄造件，其中箱體壁有很多油路且其壁厚度不一，導致箱體內部結構復雜，增加了測繪的難度。為了能夠得到準確的模型，測繪時首先使用三坐標測量機來測量其關鍵位置的定位，測量得到關鍵位置的坐標參數。將多次的測量的結果進行裝配，最后得到箱體的整體測量的主要數據即點云。將測量結果保存為*.igs文件，導入UG中進行箱體主要面和基準的完善和建模。

2 變速器主要零部件建模

井下裝載機/鏟運機用變速器中安裝的多為漸開線變位斜齒輪，所以變位齒輪的設計建模是我們面臨的首要問題。本文應用UG NX7.0的實體造型、編輯和布爾運算功能，并選擇UG提供的Grip作為二次開發工具，根據設計中齒輪的法面齒數、模數、壓力角等重要參數自動生成三維模型。

3 變速器零部件的結構強度有限元分析

3.1 變速器箱體結構強度分析

箱體靜力分析主要是應用NX Nastran基本模塊進行求解。Nastran靜力分析主要是求解結構與時間無關或時間作用效果可忽略的靜力載荷（包括集中載荷、分布載荷、溫度載荷、慣性載荷等）作用下的響應，得出所需節點的位移、節點力、約束反力、單元內力、單元應力和應變能等。變速器箱體是鑄造件，結構復雜，其表面不規則曲面較多，因此需要簡化箱體結構，并定義材料屬性及網格劃分，箱體受荷載分析，添加約束和荷載，得到其應力應變云圖。

根據箱體的結構分析結果，可以作如下改動：將箱體軸承座孔處壁厚加厚，其他部位減薄。改進后箱體滿足強度條件，且應力分布更均勻，箱體重量減輕。分析結果顯示箱體改進方案有效可行。

3.2 輸出軸的有限元分析

對變速器的輸出軸進行結構分析，包括靜力分析和疲勞分析，在一檔工況時，變速器箱體會承受較大的載荷并產生較大的應力和變形。

3.2.1 輸出軸的靜力分析

由應力圖可以看出最大應力為45.5MPa，出現在軸承端面兩側；由位移圖可以看出紅色出為最大位移值為9.604×10.-3mm。因此，最大應力<[σ]，變形位移也較小，所以輸出軸強度足夠。

3.2.2 輸出軸疲勞特性分析

由疲勞安全因子云圖看出輸出軸的破壞疲勞壽命最大為10.36次，最小處也為6.4×10.12次，所以都在設計壽命之外，絕對安全。

4 結論

本文應用三維建模軟件UG完成了對井下裝載機變速器逆向設計，建立了變速器的三維模型；使用有限元分析軟件NX Nastran對變速器的箱體和主要零部件的結構強度和動態特性進行了研究。通過對箱體，齒輪，軸等部分關鍵部件進行分析可知，該研究方法對于結構分析快速有效，且通過云圖可以直接找出結構設計的問題所在，對相關結構直接進行改進優化，滿足井下復雜工況下的應用。

參考文獻：

[1] 高娟.汽車變速器箱體結構強度分析與優化設計[D].長春：吉林大學，2011.

[2] 楊汾愛，龍小樂，等，基于精確建模的斜齒輪接觸應力有限元分析[J].機械科學與技術，2003，22（2）：206-208.

[3] 張學亮.基于ANSYS技術的齒輪箱模態分析及優化[J].制造業信息化，2010，6：70-72.

作者簡介：東鑫淵（1988-），男，漢族，陜西西安人，碩士，西安思源學院工學院講師，主要研究方向：車輛工程。