高鵬　張曉龍　吳張永　謝曉全　楊磊青　梁文凱

摘 ?要： 針對除冰機構的優(yōu)化設計，在Solidworks軟件中對其齒輪傳動機構進行有限元分析，分析其齒輪傳動機構在靜力載荷作用下的應力、位移和應變等情況。從分析結果看出，在Solidworks軟件中對齒輪傳動機構進行有限元分析，可以查看齒輪變形情況，為齒輪傳動機構的后期改進及優(yōu)化提供了理論基礎，可以有效節(jié)省設計的費用，同時也為除冰機構后期的穩(wěn)定運行提供了良好的理論基礎。

關鍵詞：?敲擊除冰機構;Solidworks;齒輪;有限元分析

中圖分類號： TP391.77????文獻標識碼：?A????DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.02.036

【Abstract】： Aiming at the optimization design of the deicing mechanism， the finite element analysis of the gear transmission mechanism is carried out in Solidworks software to analyze the stress， displacement and strain of the gear transmission mechanism under static load. It can be seen from the analysis results that the finite element analysis of the gear transmission mechanism in Solidworks software can check the deformation of the gear， which provides a theoretical basis for the later improvement and optimization of the gear transmission mechanism， can effectively save the design cost， and also provides a good theoretical basis for the stable operation of the deicing mechanism in the later stage.

【Key words】： Tapping deicing mechanism;?Solidworks;?Gear;?Finite element analysis

0??引言

在我國每年冬季來自西伯利亞的寒流入侵南下，寒潮冷鋒過境時氣溫大幅度下降，風力風速也驟增。而這時暖濕氣流又在南方地區(qū)交匯，加之局部特殊的地理地形，容易形成持續(xù)低溫雨雪天氣，為覆冰的形成創(chuàng)造了良好條件[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，自上世紀中期以來，我國輸電線路遭受不同程度的覆冰災害多達上千次?輸電線路覆冰將導致電線舞動、斷線、桿塔倒塌、絕緣子閃絡等事故，對電網的正常運轉和人民生活帶來了極大不便，輸電線路遭受覆冰現(xiàn)象。為減少覆冰引起各種事故的發(fā)生，諸多科研單位和高等院校展開了輸電線路除冰技術的研究，并已取得一定成效?目前國內外除冰方法繁多，但究其除冰機理可歸納為熱力融冰法、機械除冰?自然除冰和機器人除冰法等方法[2]。

因此針對輸電線路覆冰也提出了很多種方案，目前采用的有機械式除冰，以除冰機器人這類為主。傳統(tǒng)的物理樣機試驗驗證手段花費時間長且成本較高，所以我們采用計算機輔助工程技術。計算機輔助工程CAE（computer aided engineering）是由機械工程分析與計算機應用相結合迅速發(fā)展起來的新興信息技術。借助計算機對設計產品結構進行實時或隨后的分析，可以實現(xiàn)大型機械結構與工業(yè)產品的仿真模擬與優(yōu)化設計。逐步成為工程師實現(xiàn)機械產品創(chuàng)新設計和工程科學家進行創(chuàng)新研究的重要手段及有效工具[3-4]。CAE 通過與計算機輔助設計（computer aided design，簡稱?CAD）、計算機輔助制造?（computer aided manufacturing，簡稱CAM）等技術相結合，使工程科學研究人員，對現(xiàn)代各種結構的多樣性、復雜性、可靠性以及安全性等做出反應，解決工程實際問題[5-6]。

有限元法是CAE的主要方法，是在差分法和變分法的基礎上發(fā)展起來的一種數(shù)值方法，它吸取了差分法對求解域進行離散處理的啟示，又繼承了里茲法選擇試探函數(shù)的處理方法。其基本思想是離散和分片插值[7]。本機構中齒輪傳動系統(tǒng)很重要。本文利用Solidworks軟件中Simulation插件對齒輪傳動進行有限元分析，以確定齒輪傳動所受的彎曲應力、最大的位移變形量，從而為齒輪的優(yōu)化設計提供可靠數(shù)據(jù)[8-9]。

1??直尺圓柱齒輪有限元模型的建立

1.1??齒輪參數(shù)

齒輪材料均為45鋼，其中小齒輪為從動輪，大齒輪為從主動輪。在傳遞動力時，主動輪轉速為1550?r/min，從動齒輪受到的扭矩大小為1000?N.mm，分析計算得到齒輪嚙合區(qū)的應力、應變、以及位移等情況。齒輪參數(shù)如表1所示，45剛性能參數(shù)如表2所示。

1.2??齒輪傳動Solidworks建模及裝配

通過Solidworks軟件中的設計庫，并根據(jù)齒輪的相關參數(shù)，選取并設定好后，可以直接生成主動齒輪和從動齒輪。然后在裝配環(huán)境下利用基準軸，基準面，重合以及相切等命令進行裝配[10]，裝配結果如圖1所示。

1.3??建立齒輪的有限元模型

直接利用Solidworks軟件中Simulation插件進行有限元分析。通過選擇齒輪材料、設置相觸面組、設定約束、施加外部載荷、應用網格控制、生成網格[11]。齒輪材料選擇為45剛，主動輪的夾具為固定式，從動輪的夾具為固定鉸鏈式，施加的扭矩大小為1000?N.mm。

1.4??齒輪傳動有限元分析參數(shù)設置

1.4.1 ?設置約束類型

根據(jù)齒輪傳動在空間內只有一個旋轉自由度，采取用戶定義約束命令，分別選取大小齒輪內孔圓柱面建立柱坐標系，五個自由度設為固定，預留一個旋轉自由度[12-13]。

1.4.2??定義仿真對象類型及載荷[14][15]

根據(jù)齒輪嚙合傳動的特點，在仿真對象類型中選擇面對面接觸，摩擦系數(shù)取0.05。載荷類型為扭矩力，其大小為1000?N.mm。

2??直齒圓柱齒輪有限元模型的仿真

2.1??靜力學分析

采用高品質網格單元進行網格劃分，劃分網格節(jié)點數(shù)104751，單元數(shù)67634，自由度數(shù)313698。

2.1.1??應力分析

如圖2所示，可以看出在齒輪嚙合區(qū)域的最大應力值為364.4MPa，最小應力值為332.8MPa.根據(jù)赫茲公式[16]計算齒面接觸應力[17]

運用赫茲公式計算的最大應力值為362.07?MPa，小于在Simulation中算出的最大應力值364.4?MPa，在其允許范圍內，且其最大應力值小于45剛的屈服強度，所以設計符合要求。

2.1.2??位移分析

如圖3所示，可以看出齒輪嚙合處整體的變形情況，可以看出在齒輪嚙何處的變形比較大，從圖中可以看出嚙合處最大位移為4.398×10–1?mm，齒輪其他部位的位移分布情況比較均勻，且值均很小，可以忽略不計。從以上分析結果得知，齒輪滿足工作要求，可以平穩(wěn)的運轉[18]。

2.1.3??應變分析

如圖4所示，可以看出最大應變值為1.171×10–3，其他部位應變值更小，可以忽略不計，處于安全范圍之內，可以保證齒輪的有效平穩(wěn)的運轉。

2.2??動力學分析

機械結構的震動往往會導致其結構共振或引起材料疲勞，使得機械設備受到疲勞導致其損壞[19]。因此我們也要對齒輪傳動機構進行有限元模態(tài)分析[20]。

本次模態(tài)分析的對象是主動齒輪。在Solidworks軟件中利用Simiulation插件進行模態(tài)分析，參數(shù)設置與靜力學一致，共設置4階固有頻率。

通過計算得到主動輪的前五階的固有頻率，具體如表3所示。

第1階到第4階固有頻率下對應的振形圖如圖5所示。

根據(jù)以上圖顯示的計算結果可以看出，固有頻率越大行齒輪的振幅也就越大。其中，1階固有頻率為輪齒左部的同時振動彎曲，該頻率下的震動可能會導致齒輪左部折斷;2階固有頻率為輪齒上下部分的同時振動彎曲，且下部由于承受較大的載荷，振幅明顯高于上方;3階固有頻率為輪齒左右部分的同時振動彎曲，且這兩個位置齒圈部分的振幅逐漸加大;4階固有頻率為上下左右四面的同時振動彎曲，導致齒輪四周的齒圈向內部扭曲。

從表中可以看出模態(tài)固有頻率遠超敲擊破冰機構70?Hz的工作頻率，所以不會產生共振現(xiàn)象，此傳動機構也能平穩(wěn)的運轉。

3??結束語

本文針對除冰機構中關鍵零件傳動齒輪進行設計和討論，并利用Solidwrks中simulation插件對其進行有限元分析，分析的具體結果如下：

①通過靜力學分析，通過Simulation插件分析計算得出從動齒輪在工作時所受到的最大的屈服強度，計算出從動輪工作是的最大屈服強度，并通過赫茲公式進行應力分析計算得出的齒面接觸應力值同樣也小于通過有限元分析計算得出的最大屈服強度。通過與45剛材料本身的屈服強度進行對比，得知齒輪完全可以承受所施加的扭矩大小，所以齒輪傳動機構在工作時平穩(wěn)可靠的。

②通過動力學分析，得到了齒輪的前4階的固有頻率和振型，通過分析振型圖可以得知，齒輪的振動主要發(fā)生在齒輪的齒根部位及靠近齒根的部位，通過分析數(shù)據(jù)得知齒輪的固有頻率遠超過除冰機構設備的工作頻率，所以根據(jù)共振原理分析得知，齒輪在工作時不會發(fā)生共振現(xiàn)象。

③利用Solidworks中的Simulation有限元分析插件對其進行仿真和分析，我們可以通過分析結果來發(fā)現(xiàn)之前設計中的存在的一些結構性問題，并且通過相關數(shù)據(jù)對比分析進行及時的修正和優(yōu)化。通過計算機輔助工程設計我們可以大大的提高機械設計的效率，縮短了產品的研發(fā)周期，并且可以有效地降低研發(fā)成本。

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