張傳俊 張春芳

摘要：目的：為解決現(xiàn)代填充齒輪設(shè)計(jì)中傳動(dòng)噪聲大、震動(dòng)幅度大等缺陷，加快機(jī)械齒輪行業(yè)的快速發(fā)展。方法：本文在采煤機(jī)大型齒輪結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行泡沫鋁填充設(shè)計(jì)，以扭轉(zhuǎn)變形要求為約束條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和仿真模擬。結(jié)果：優(yōu)化后的泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)齒輪的振幅較原型、初始設(shè)計(jì)有著明顯降低。結(jié)論：通過改變齒輪上圓孔的扇形結(jié)構(gòu)，使得優(yōu)化后齒輪振幅降低了10%，降噪性能提高了11.1%，輕質(zhì)性能提升5%，促進(jìn)泡沫鋁填充齒輪在機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：泡沫鋁;大型齒輪;模態(tài)模擬;降振減噪性能

中圖分類號(hào)：TD402 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ?文章編號(hào)：1008-4657（2020）02-0018-05

0 引言

伴隨著工業(yè)現(xiàn)代化腳步的加快，對(duì)齒輪傳動(dòng)噪聲產(chǎn)生與機(jī)械振動(dòng)的要求愈發(fā)嚴(yán)格[1]，提高大型齒輪的減振降噪效果等已成為機(jī)械制造領(lǐng)域重點(diǎn)探討的問題。國(guó)內(nèi)外的科研工作者們也展開了一定的研究，馬朝永等[2]通過建立改進(jìn)的局部故障時(shí)變動(dòng)力學(xué)模型實(shí)現(xiàn)了行星齒輪箱故障診斷。彭楠等[3]通過傳動(dòng)動(dòng)力模型建立的方式分析C型阻尼環(huán)的開口量、厚度等參數(shù)對(duì)錐齒輪的減振性能產(chǎn)生的影響，并由此尋找最優(yōu)化的阻尼環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)來使錐齒輪性能達(dá)到最佳。陸波等[4]通過建立齒輪-軸-軸承-箱體耦合系統(tǒng)三維有限元模型，并提出了一種計(jì)算斜齒輪時(shí)變剛度的方法有效評(píng)估齒輪動(dòng)態(tài)特性與噪聲。泡沫鋁作為一種新型功能性材料，其降噪特性得到了認(rèn)可，但是在齒輪構(gòu)件應(yīng)用上卻并不多見。對(duì)此，本文進(jìn)行泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)大型齒輪設(shè)計(jì)與優(yōu)化并進(jìn)行了降噪實(shí)驗(yàn)，推進(jìn)高效、大功率、輕量化齒輪的發(fā)展。

1 泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)齒輪設(shè)計(jì)

以型號(hào)為MG400/920—WD的采煤機(jī)的減速器齒輪為原型，并將泡沫鋁作為填充結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)一款降噪、低振、輕質(zhì)的齒輪。原齒輪結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]，材料為鑄鋼，壓力角α為20°，模數(shù)m、齒數(shù)z與齒寬B分別為6 mm、56、110 mm，內(nèi)孔Φ100 mm，另外在齒輪的均勻分布的6個(gè)Φ25 mm孔。本文在保持原齒輪結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將齒輪上的小圓孔更改為位置合理的扇形結(jié)構(gòu)，并以填充夾角β = 40°來進(jìn)行填充，填充泡沫鋁的外徑D1、內(nèi)徑D2分別為265 mm、225 mm，齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.4 優(yōu)化結(jié)果

利用ANSYS軟件，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)、變量以及約束條件，得到最優(yōu)化的泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)的外徑與內(nèi)徑，分別為290 mm、238 mm。

3 齒輪模態(tài)模擬分析

3.1 模型的建立

利用Pro/E構(gòu)建初始設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)后的泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)齒輪3D模型，隨后將模型道導(dǎo)入到ANSYS軟件中[7]。對(duì)模型材料的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行一一設(shè)定，并利用SOL-ID186單元類型進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分。此外，參考于英華等人的研究進(jìn)行加載約束條件與載荷[8]。

3.2 模擬結(jié)果

采用BlockLandczos[9]方法對(duì)模態(tài)進(jìn)行提取，模態(tài)提取階數(shù)設(shè)定為5，原型、初始以及優(yōu)化后的齒輪結(jié)構(gòu)的前5階模態(tài)結(jié)果如圖3所示。

三種齒輪的前5階主要模態(tài)參數(shù)如表1所示。通過表1對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，無論是初始設(shè)計(jì)還是優(yōu)化后的齒輪設(shè)計(jì)，其前5階模態(tài)的固有頻率相較于原始齒輪均呈明顯增加趨勢(shì)，最大增加量達(dá)到了16.1%;而對(duì)于各階模態(tài)的振幅參數(shù)來說，相較于原始齒輪，其他兩種齒輪振幅明顯下降，尤其優(yōu)化后的泡沫鋁填充齒輪最大振幅降低了10.0%。通過以上數(shù)據(jù)可以知曉，齒輪使用泡沫鋁填充能起到良好的減振作用，特別是優(yōu)化后的填充結(jié)構(gòu)齒輪減振效果更為優(yōu)異。

4 減振降噪的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文的泡沫鋁填充齒輪的減振降噪效果，自主研發(fā)了齒輪傳動(dòng)裝置來進(jìn)行測(cè)試，齒輪傳動(dòng)裝置如圖4所示，可實(shí)現(xiàn)9級(jí)變速。根據(jù)需要，分別選擇了225 r/min、500 r/min與1 000 r/min三種轉(zhuǎn)速。

4.2 測(cè)量系統(tǒng)及過程

本次測(cè)試，利用聲級(jí)計(jì)提取齒輪傳動(dòng)裝置的噪聲型號(hào)，并經(jīng)由經(jīng)抗混濾波放大器和信號(hào)分析儀，將濾波后的噪聲數(shù)據(jù)傳送至計(jì)算機(jī)DASP噪聲分析軟件中進(jìn)行分析。噪聲測(cè)量系統(tǒng)如圖5所示。

4.3 測(cè)量結(jié)果及分析

根據(jù)上述測(cè)量系統(tǒng)，待齒輪傳動(dòng)裝置運(yùn)行平穩(wěn)后，對(duì)三種大齒輪分別在225 r/min、500 r/min與1000 r/min轉(zhuǎn)速情況下的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖所示6所示。從圖中可以明顯看，在相同的轉(zhuǎn)速下，初始設(shè)計(jì)與優(yōu)化后的泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)齒輪相較于原型齒輪，噪聲分貝均明顯下降，優(yōu)化后齒輪的噪聲最大降幅高達(dá)11.1%。通過數(shù)據(jù)分析可知，泡沫鋁能有效提高齒輪的降噪性能，尤其優(yōu)化后的填充結(jié)構(gòu)齒輪降噪效果更佳。

5 齒輪的輕質(zhì)性分析

根據(jù)初始與優(yōu)化后的三種齒輪結(jié)構(gòu)，對(duì)齒輪的質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，并將質(zhì)量結(jié)果與原型齒輪的質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比分析，其對(duì)比結(jié)果如表2所示，其中原型齒輪質(zhì)量為69.22 kg。從表2中可以看到，初始設(shè)計(jì)的與優(yōu)化后的泡沫鋁填充齒輪相較于原型齒輪，齒輪重量相對(duì)減少了10.91%、15.9%，這表明泡沫鋁材質(zhì)能明顯提高齒輪的輕質(zhì)性。

6 結(jié)束語

利用Pro/E內(nèi)部提供的優(yōu)化參數(shù)功能，在采煤機(jī)大型齒輪提供的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上優(yōu)化設(shè)計(jì)泡沫鋁填充的3D模型，充分考慮了材質(zhì)與構(gòu)型對(duì)于減振、輕質(zhì)性能的影響。通過齒輪前5階模態(tài)，泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)齒輪減振降噪效果有著顯著提高，另外還達(dá)到了輕質(zhì)效果。本文設(shè)計(jì)理念在齒輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化中達(dá)到了預(yù)期的效果，在機(jī)械工程應(yīng)用上具有一定普遍意義。

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[責(zé)任編輯：鄭筆耕]