陳建國，包家漢，潘紫微

(1．馬鋼股份公司設備部，安徽 馬鞍山 243003;2．安徽工業(yè)大學機械工程學院，安徽 馬鞍山 243002)

1 前言

飛剪是冶金工業(yè)的重要生產設備之一，是指橫向剪切運動軋件，并滿足用戶定尺要求的設備［1］。曲柄飛剪機由刀架、曲柄軸、擺桿及箱體等組成。其中箱體是齒輪系統(tǒng)的主要組成部分，是傳動零件的基座，在齒輪傳動過程中，箱體承受較大的載荷并產生較大的變形和應力［2］，因此箱體要具有足夠的強度和剛度。

某鋼軋棒材廠曲柄搖桿式飛剪機在使用2年后停機檢修時發(fā)現飛剪齒輪箱焊接處存在開裂現象。裂紋給設備和生產帶來了嚴重的事故隱患，為確保安全生產，減少損失，有必要對箱體的機械性能進行評估，并對裂紋產生原因進行分析。

箱體整體和受力狀況十分復雜，考慮真實的三維空間結構和受力情況，進行合理的應力和變形分析，需要進行三維非線性有限元分析。目前已有許多學者對齒輪箱進行靜強度研究，分析了齒輪箱的強度和剛度，并提出了結構優(yōu)化方法［3］。梁醒培等人對大型齒輪箱進行了有限元強度分析，并以重量為目標函數進行了優(yōu)化設計，優(yōu)化結果為齒輪箱的結構設計提供了良好的參考依據［4］;張麗娟等人忽略上下箱體之間的滑動，將上下箱體看成一個整體模型，運用ANSYS對箱體的機構進行有限元分析，找出了箱體最薄弱區(qū)域［5］。在眾多文獻中，對箱體力學性能有限元分析時，沒有綜合考慮箱體與箱體之間、箱體與聯(lián)接螺栓之間實際存在的接觸問題，為較真實地模擬各零件之間的聯(lián)接關系，需對箱體進行非線性有限元分析。

2 箱體三維實體模型

某鋼軋棒材廠曲柄搖桿式飛剪齒輪箱由上、中、下三部分組成，各部分之間采用螺栓擰緊。各級齒輪采用標準斜齒輪傳動，箱體結構不對稱，材料為Q235。建模時，在保證主體結構符合真實的形狀、尺寸及布置的前提下，并做以下幾點處理:

(1)忽略各處過渡圓角，忽略箱體上所有螺栓孔的螺紋。這些假設都不會對齒輪箱體的剛度產生大的影響，完全能保證足夠的計算精度;

(2)設箱體為理想焊接(焊接質量應得到保證，其焊接處強度近似于材料內部強度)，在建立有限元模型時不予考慮;

(3)在建模時，上、中、下箱體之間的連接可以用圓柱體來模擬螺栓。其中，圓柱體的直徑為螺栓的小徑，以保證真實的螺栓強度;

(4)對于一些不要求考慮又不影響整體計算結果的結構進行了適當簡化或去除處理。

采用三維CAD軟件對箱體各部分進行建模，建立的箱體整體裝配幾何模型如圖1所示。

圖1 箱體整體裝配模型Fig.1 Assembling model of whole gear box

3 箱體有限元模型

3.1 網格劃分與材料屬性設定

有限元網格劃分是將整體結構離散化，是進行有限元計算的前提。采用單元精度適當且對邊界適應性強的8節(jié)點solid 45單元對齒輪箱體進行網格劃分。對于螺栓與箱體接觸部位，為保證較準確地模擬實際接觸關系，采用六面體劃分，網格盡量密一些［6］;對于箱體上軸承座，由于此處施加載荷，亦采用六面體劃分網格;對于箱體上其他部位，均采用自由劃分，但在箱體槽鋼等若干應力可能集中的危險區(qū)域進行了網格細化處理，保證這些部位計算的可靠性。綜合分析箱體的實際工作情況，有必要考慮接觸問題。本文采用了柔體－柔體的面－面接觸類型，接觸面單元選取 CONTA173，目標面單元類型選取TARGE170，共建立了83個接觸對。箱體整體裝配有限元模型共劃分236766個單元，94092個節(jié)點(圖2)。

齒輪箱體材料為Q235，設置材料彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比 μ=0.3，密度 ρ=7.85 ×103kg/m3。

圖2 箱體整體裝配模型網格劃分Fig.2 Grid partition for assembling model of whole gear box

3.2 邊界條件

在地腳螺栓孔中心處，建立局部柱坐標，對地腳螺栓孔表面節(jié)點施加徑向約束，限制其徑向位移，同時對地腳螺栓孔施加豎直方向的約束，從而完全限制了箱體的剛體位移。

3.3 載荷施加

飛剪齒輪箱靜力分析時，軸承孔的載荷由各級傳動齒輪和傳動軸的受載決定［3］。軸承孔的載荷分為徑向力和軸向力兩部分。首先計算各齒輪的受力，再計算各軸承的受力，最后將其轉化為作用于軸承座的集中力，并將集中載荷轉化為表面載荷。

表1列出了主動軸順時針旋轉時各軸承孔所承受的載荷。表中 Fx、Fy、Fz分別為 x、y、z方向軸承孔載荷，Fxz為x、z方向軸承孔載荷的合力，Pa為軸承孔軸向載荷，Pr為軸承孔徑向表面載荷，θ為合力相對x軸正方向的轉角。

齒輪箱軸向載荷Pa均勻作用于軸承孔端面圓周上，徑向載荷Pr按正弦規(guī)律作用于軸承與軸承孔接觸區(qū)域180°范圍內(圖3)。

為了較真實地反映箱體聯(lián)接螺栓的應力，采用預緊力單元法模擬螺栓預緊力［7］。首先利用PSMESH命令定義預拉伸單元PRETS179(圖4)，然后利用SLOAD命令在預拉伸單元上施加預緊力。

表1 各軸承孔所受的載荷Table 1 Loading of every bearing hole

4 箱體機械應力分析

通過有限元計算，得到齒輪箱整體機械應力云圖如圖5所示。箱體整體的機械應力在0～80.7 MPa之間。局部區(qū)域，如各軸承座側壁附近應力相對比較大。對比上、中、下箱體可以發(fā)現，中箱體的應力水平略高于上、下兩個箱體。最大Mises應力為145.2 MPa，位于中箱體M42螺栓處(圖6)。各箱體螺栓孔處應力相對較大，這是由于在考慮螺栓聯(lián)接時，施加預緊力所致，上下箱體銷軸處應力水平均很低。

圖5 箱體整體應力云圖Fig.5 Stress nephogram of whole gear box

由表2可以看出，箱體整體最大變形位于上箱體，下箱體變形最小;最大機械應力位于中箱體，上箱體應力水平相對很低。箱體整體應力水平較低，箱體材料為Q235，其脈動疲勞極限為σ0=231 MPa，因此，若箱體整體焊接處表面沒有原始缺陷，箱體的最大應力小于材料的疲勞極限應力，箱體整體強度足夠。即如果焊接處無初始缺陷，機械應力不會引起疲勞開裂。

圖6 中箱體應力云圖Fig.6 Stress nephogram of middle gear box

表2 齒輪箱應力與變形Table 2 Stress and deformation of gear box

5 結束語

建立了箱體的非線性有限元分析模型，計算出飛剪齒輪箱軸承孔處的靜載荷，利用Ansys軟件得到箱體的位移場和應力場，結果表明箱體整體結構強度足夠。因此，箱體在焊接缺陷的情況下，正常工作時不會產生疲勞開裂;需對箱體的模態(tài)等動態(tài)特性作進一步分析，以確定箱體開裂的原因。

［1］ 王全先，解振山.起停式曲柄飛剪剪切機構運動學性能分析［J］．機械傳動，2004，28(6):52－54．

［2］ 張文斌，陳云飛．雷達天線座方位減速箱箱體的有限元分析［J］．機械制造與研究，2005，34(4):68－71．

［3］ 顏克君．1．5兆瓦風電增速齒輪箱靜動力有限元分析［J］．機械傳動，2009，33(6):49－53．

［4］ 梁醒培，王豪，張鍇鋒．大型齒輪箱結構分析與結構優(yōu)化［J］．機械設計與制造，2008(1):31－33．

［5］ 趙麗娟，劉宏梅，陳令國．ANSYS在礦用減速器箱體應力分析中的應用［J］．礦業(yè)研究與開發(fā)，2007，27(1):52－54．

［6］ 吳林峰，陳德亮．轉爐托圈機械應力的三維非線性有限元分析［J］．煤礦機械，2007，28(1):58－59．

［7］ 李會勛，胡迎春．利用ANSYS模擬螺栓預緊力的研究［J］．山東科技大學學報，2006，25(1):57－59．