基于ANSYS的EBZ40掘進(jìn)機(jī)行星減速器齒輪強(qiáng)度分析

張 偉

(霍州煤電集團(tuán) 呂臨能化有限公司 龐龐塔煤礦， 山西 臨縣 033200)

0 引言

掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用大幅提升了橋梁、隧道、煤炭開采等行業(yè)的施工效率，因此也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。隨著各國對(duì)掘進(jìn)機(jī)研究的不斷深入，引入了更多更為復(fù)雜的先進(jìn)技術(shù)。行星齒輪減速器是掘進(jìn)機(jī)的關(guān)鍵零部件之一，目前行星齒輪減速器正向著標(biāo)準(zhǔn)化、高精度、大尺寸、高可靠性、耐腐蝕性等方向發(fā)展[1]。

影響行星齒輪減速器性能的參數(shù)很多，如材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、表面處理等，由于掘進(jìn)機(jī)開采的功率大，減速器齒輪的輪齒受載荷較大，容易出現(xiàn)故障。因此，有必要對(duì)減速器齒輪的受力情況進(jìn)行仿真分析。本文以EBZ40減速器齒輪為研究對(duì)象進(jìn)行強(qiáng)度分析，對(duì)掘進(jìn)機(jī)齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

1 EBZ40掘進(jìn)機(jī)概述

國內(nèi)外掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)品的型號(hào)、種類繁多，但基本結(jié)構(gòu)一致，本文對(duì)EBZ40型掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡要說明。圖1為掘進(jìn)機(jī)實(shí)物圖，其結(jié)構(gòu)主要包括工作機(jī)構(gòu)、運(yùn)載機(jī)構(gòu)、運(yùn)輸機(jī)構(gòu)、走行部和電氣液壓系統(tǒng)等部件。

圖1 掘進(jìn)機(jī)實(shí)物圖

工作機(jī)構(gòu)直接參與煤炭截割以及煤巖挖掘、搗碎工作。運(yùn)載機(jī)構(gòu)主要是將截割下來的煤炭進(jìn)行裝運(yùn)，將掘進(jìn)機(jī)下方開挖出的煤炭收集起來。運(yùn)輸機(jī)構(gòu)主要將煤炭運(yùn)輸至井外，也可用于轉(zhuǎn)運(yùn)至其他井下設(shè)備。電氣液壓系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的動(dòng)作，并對(duì)掘進(jìn)機(jī)動(dòng)作進(jìn)行控制[2]。

EBZ40掘進(jìn)機(jī)是一款集截割、裝載、轉(zhuǎn)運(yùn)、行走等功能為一體的掘進(jìn)機(jī)，其截割部徑向尺寸小、操作靈活、工作效率高，因其結(jié)構(gòu)緊湊、行動(dòng)自如被廣泛應(yīng)用于小巷道等環(huán)境的掘進(jìn)工作。

2 EBZ40 行星減速器結(jié)構(gòu)與基本參數(shù)

EBZ40型掘進(jìn)機(jī)的減速器是由兩個(gè)行星齒輪串聯(lián)而成的一個(gè)2級(jí)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其齒輪嚙合的原理簡圖如圖2所示。齒輪1為輸入端，與電機(jī)相連接，齒輪5為內(nèi)齒輪，H2為輸出端，中間是由兩級(jí)行星輪組成的減速器結(jié)構(gòu)[3]。

EBZ40型掘進(jìn)機(jī)行星齒輪減速器齒輪1～5的參數(shù)如表1所示。齒輪組的輸入端電機(jī)功率為140 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 080 r/min。齒輪精度為7級(jí)，材料選用30CrMnSi，屈服強(qiáng)度為600 MPa[4]。

表1 齒輪參數(shù)

3 有限元分析模型

應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)齒輪減速器進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，在不考慮齒輪的動(dòng)載效應(yīng)、系統(tǒng)慣性的影響下，計(jì)算各齒輪在載荷作用下的變形和應(yīng)力情況。由于行星輪結(jié)構(gòu)對(duì)稱，因此主要建立中心輪和行星架以及行星輪的三維模型。

1～5均為齒輪；H1-齒輪1和齒輪2的嚙合體；H2-齒輪3和齒輪4的嚙合體圖2 掘進(jìn)機(jī)行星減速器傳動(dòng)簡圖

(1) 齒輪三維模型的建立。采用Creo2.0軟件建立行星輪減速器的三維模型，齒輪之間設(shè)置接觸，分析時(shí)不考慮隨時(shí)間變化的情況，只考慮齒輪在嚙合過程中的一個(gè)瞬態(tài)受力情況。為便于有限元分析計(jì)算，模型中不包括鍵槽、齒輪倒角等細(xì)小特征。

(2) 材料設(shè)置。將創(chuàng)建的三維模型以Stp文件格式導(dǎo)入ANSYS中，材料選用30CrMnSi，材料的彈性模量E=2.09×105MPa，密度ρ=7 980 kg/m3，泊松比μ=0.3，屈服強(qiáng)度600 MPa[5]。

(3) 網(wǎng)格處理。齒輪的形狀從軸向來看分布比較有規(guī)律，可以使用掃掠網(wǎng)格劃分，采用8節(jié)點(diǎn)的正六面體單元。掃掠網(wǎng)格大小設(shè)置為5 mm，手動(dòng)對(duì)齒輪截面網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到120 930個(gè)單元、180 352個(gè)節(jié)點(diǎn)。

(4) 載荷與邊界。保留齒輪的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，其余兩個(gè)方向視為剛體，位移可以忽略不計(jì)。對(duì)中心輪軸孔內(nèi)表面施加固定約束，其余齒輪與中心輪之間設(shè)置接觸關(guān)系。采用有限元軟件分析行星減速器最惡劣工況下應(yīng)力的分布，由于各齒輪徑向載荷內(nèi)平衡，因此只考慮齒輪的切向載荷，經(jīng)分析計(jì)算，得到中心輪切向力F=9 329.37 N。

4 齒輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

基于ANSYS的求解模塊，對(duì)中心輪、行星輪、齒圈在剪切載荷F=9 329.37 N作用下的應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行了求解。該掘進(jìn)機(jī)減速器的中心輪與行星輪之間的重合度為1.632，在建立有限元分析模型時(shí)在兩者接觸位置設(shè)置CONTA174接觸連接單元，同理在行星輪與齒圈設(shè)置TARGE170接觸單元，從而在齒輪接觸之間創(chuàng)建了非線性接觸。

4.1 中心輪等效應(yīng)力

模擬減速器齒輪嚙合過程中，施加切向載荷計(jì)算得到的中心輪應(yīng)力分布情況如圖3所示，最大應(yīng)力為171 MPa，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在輪齒的齒根與齒頂相嚙合的位置，且越接近齒邊緣值越大。從圖3中可以看出，中心輪的應(yīng)力較大值區(qū)域已貫穿了齒輪厚度，因此中心輪的厚度對(duì)齒輪的整體強(qiáng)度具有較大影響，特別是齒輪上開槽區(qū)域。

圖3 中心輪等效應(yīng)力云圖

4.2 行星輪等效應(yīng)力

行星輪受到中心輪與齒圈的作用，受力情況相對(duì)比較平穩(wěn)，兩側(cè)的載荷基本處于平衡狀態(tài)，圖4為行星輪的應(yīng)力分布情況。根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果，行星輪最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在齒頂與中心齒輪嚙合位置，此處應(yīng)力較大是齒輪間齒面?zhèn)鬟f載荷的作用結(jié)果，同時(shí)應(yīng)考慮有限元分析模型在此處具有尖點(diǎn)效應(yīng)；行星輪最大應(yīng)力值為238 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，齒輪具有較高的可靠性。

圖4 行星輪等效應(yīng)力云圖

4.3 齒圈等效應(yīng)力

齒圈等效應(yīng)力云圖如圖5所示。減速器二級(jí)傳動(dòng)中，在載荷的作用下齒圈的應(yīng)力、應(yīng)變最大，這是由于其外側(cè)四周受到了固定約束，內(nèi)側(cè)則受到行星輪的作用，其最大應(yīng)力為488 MPa，出現(xiàn)在與行星輪嚙合的輪齒齒頂位置，且輪齒產(chǎn)生了較大的變形。應(yīng)特別注意齒圈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的校核，防止齒圈上輪齒變形過大甚至出現(xiàn)斷裂、壓潰等現(xiàn)象。

圖5 齒圈等效應(yīng)力

根據(jù)分析計(jì)算的結(jié)果，三種輪齒均滿足強(qiáng)度要求，因此EBZ40掘進(jìn)機(jī)減速器結(jié)構(gòu)安全可靠。

5 優(yōu)化改進(jìn)建議

根據(jù)有限元分析計(jì)算的結(jié)果，三種輪齒強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，但應(yīng)注意結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。中心輪開槽位置與輪齒之間的位置關(guān)系對(duì)齒輪強(qiáng)度具有較大影響，因開槽可能導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而誘發(fā)疲勞裂紋，所以應(yīng)保留足夠的安全裕量。齒圈與行星輪的嚙合處容易壓饋，產(chǎn)生塑性變形，可以通過齒輪表面滲碳淬火等熱處理手段提高齒輪的表面強(qiáng)度，有效提升齒輪的可靠性。

6 結(jié)論

以EBZ40掘進(jìn)機(jī)行星減速器齒輪為研究對(duì)象，創(chuàng)建有限元分析模型，在僅考慮切向載荷情況下，計(jì)算了中心輪、行星輪、齒圈的應(yīng)力分布情況。根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，核算幾種齒輪的輪齒相對(duì)比較安全。最后依據(jù)應(yīng)力的分布以及變形情況提出該減速器結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議：中心輪開槽位置與輪齒之間的位置關(guān)系對(duì)齒輪強(qiáng)度具有較大影響，應(yīng)保留足夠的安全裕量；齒圈與行星輪的嚙合處容易壓饋，產(chǎn)生塑性變形，可以通過表面滲碳淬火等熱處理手段提高齒輪的表面強(qiáng)度，有效提升齒輪的可靠性。