基于Solidworks的除冰机构齿轮的有限元分析

来源:用户上传      作者:

　　摘  要： 针对除冰机构的优化设计，在Solidworks软件中对其齿轮传动机构进行有限元分析，分析其齿轮传动机构在静力载荷作用下的应力、位移和应变等情况。从分析结果看出，在Solidworks软件中对齿轮传动机构进行有限元分析，可以查看齿轮变形情况，为齿轮传动机构的后期改进及优化提供了理论基础，可以有效节省设计的费用，同时也为除冰机构后期的稳定运行提供了良好的理论基础。
　　关键词： 敲击除冰机构;Solidworks;齿轮;有限元分析
　　中图分类号： TP391.77    文献标识码： 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
　　在我国每年冬季来自西伯利亚的寒流入侵南下，寒潮冷锋过境时气温大幅度下降，风力风速也骤增。而这时暖湿气流又在南方地区交汇，加之局部特殊的地理地形，容易形成持续低温雨雪天气，为覆冰的形成创造了良好条件[1]。据不完全统计，自上世纪中期以来，我国输电线路遭受不同程度的覆冰灾害多达上千次 输电线路覆冰将导致电线舞动、断线、杆塔倒塌、绝缘子闪络等事故，对电网的正常运转和人民生活带来了极大不便，输电线路遭受覆冰现象。为减少覆冰引起各种事故的发生，诸多科研单位和高等院校展开了输电线路除冰技术的研究，并已取得一定成效 目前国内外除冰方法繁多，但究其除冰机理可归納为热力融冰法、机械除冰 自然除冰和机器人除冰法等方法[2]。
　　因此针对输电线路覆冰也提出了很多种方案，目前采用的有机械式除冰，以除冰机器人这类为主。传统的物理样机试验验证手段花费时间长且成本较高，所以我们采用计算机辅助工程技术。计算机辅助工程CAE（computer aided engineering）是由机械工程分析与计算机应用相结合迅速发展起来的新兴信息技术。借助计算机对设计产品结构进行实时或随后的分析，可以实现大型机械结构与工业产品的仿真模拟与优化设计。逐步成为工程师实现机械产品创新设计和工程科学家进行创新研究的重要手段及有效工具[3-4]。CAE 通过与计算机辅助设计（computer aided design，简称 CAD）、计算机辅助制造 （computer aided manufacturing，简称CAM）等技术相结合，使工程科学研究人员，对现代各种结构的多样性、复杂性、可靠性以及安全性等做出反应，解决工程实际问题[5-6]。
　　有限元法是CAE的主要方法，是在差分法和变分法的基础上发展起来的一种数值方法，它吸取了差分法对求解域进行离散处理的启示，又继承了里兹法选择试探函数的处理方法。其基本思想是离散和分片插值[7]。本机构中齿轮传动系统很重要。本文利用Solidworks软件中Simulation插件对齿轮传动进行有限元分析，以确定齿轮传动所受的弯曲应力、最大的位移变形量，从而为齿轮的优化设计提供可靠数据[8-9]。
　　1  直尺圆柱齿轮有限元模型的建立
　　1.1  齿轮参数
　　齿轮材料均为45钢，其中小齿轮为从动轮，大齿轮为从主动轮。在传递动力时，主动轮转速为1550 r/min，从动齿轮受到的扭矩大小为1000 N.mm，分析计算得到齿轮啮合区的应力、应变、以及位移等情况。齿轮参数如表1所示，45刚性能参数如表2所示。
　　1.2  齿轮传动Solidworks建模及装配
　　通过Solidworks软件中的设计库，并根据齿轮的相关参数，选取并设定好后，可以直接生成主动齿轮和从动齿轮。然后在装配环境下利用基准轴，基准面，重合以及相切等命令进行装配[10]，装配结果如图1所示。 　　1.3  建立齿轮的有限元模型
　　直接利用Solidworks软件中Simulation插件进行有限元分析。通过选择齿轮材料、设置相触面组、设定约束、施加外部载荷、应用网格控制、生成网格[11]。齿轮材料选择为45刚，主动轮的夹具为固定式，从动轮的夹具为固定铰链式，施加的扭矩大小为1000 N.mm。
　　1.4  齿轮传动有限元分析参数设置
　　1.4.1  设置约束类型
　　根据齿轮传动在空间内只有一个旋转自由度，采取用户定义约束命令，分别选取大小齿轮内孔圆柱面建立柱坐标系，五个自由度设为固定，预留一个旋转自由度[12-13]。
　　1.4.2  定义仿真对象类型及载荷[14][15]
　　根据齿轮啮合传动的特点，在仿真对象类型中选择面对面接触，摩擦系数取0.05。载荷类型为扭矩力，其大小为1000 N.mm。
　　2  直齿圆柱齿轮有限元模型的仿真
　　2.1  静力学分析
　　采用高品质网格单元进行网格划分，划分网格节点数104751，单元数67634，自由度数313698。
　　2.1.1  应力分析
　　如图2所示，可以看出在齿轮啮合区域的最大應力值为364.4MPa，最小应力值为332.8MPa.根据赫兹公式[16]计算齿面接触应力[17]
　　运用赫兹公式计算的最大应力值为362.07 MPa，小于在Simulation中算出的最大应力值364.4 MPa，在其允许范围内，且其最大应力值小于45刚的屈服强度，所以设计符合要求。
　　2.1.2  位移分析
　　如图3所示，可以看出齿轮啮合处整体的变形情况，可以看出在齿轮啮何处的变形比较大，从图中可以看出啮合处最大位移为4.398×10–1 mm，齿轮其他部位的位移分布情况比较均匀，且值均很小，可以忽略不计。从以上分析结果得知，齿轮满足工作要求，可以平稳的运转[18]。
　　2.1.3  应变分析
　　如图4所示，可以看出最大应变值为1.171×10–3，其他部位应变值更小，可以忽略不计，处于安全范围之内，可以保证齿轮的有效平稳的运转。
　　
　　2.2  动力学分析
　　机械结构的震动往往会导致其结构共振或引起材料疲劳，使得机械设备受到疲劳导致其损坏[19]。因此我们也要对齿轮传动机构进行有限元模态分析[20]。
　　本次模态分析的对象是主动齿轮。在Solidworks软件中利用Simiulation插件进行模态分析，参数设置与静力学一致，共设置4阶固有频率。
　　通过计算得到主动轮的前五阶的固有频率，具体如表3所示。
　　第1阶到第4阶固有频率下对应的振形图如图5所示。
　　根据以上图显示的计算结果可以看出，固有频率越大行齿轮的振幅也就越大。其中，1阶固有频率为轮齿左部的同时振动弯曲，该频率下的震动可能会导致齿轮左部折断;2阶固有频率为轮齿上下部分的同时振动弯曲，且下部由于承受较大的载荷，振幅明显高于上方;3阶固有频率为轮齿左右部分的同时振动弯曲，且这两个位置齿圈部分的振幅逐渐加大;4阶固有频率为上下左右四面的同时振动弯曲，导致齿轮四周的齿圈向内部扭曲。
　　从表中可以看出模态固有频率远超敲击破冰机构70 Hz的工作频率，所以不会产生共振现象，此传动机构也能平稳的运转。
　　3  结束语
　　本文针对除冰机构中关键零件传动齿轮进行设计和讨论，并利用Solidwrks中simulation插件对其进行有限元分析，分析的具体结果如下：
　　①通过静力学分析，通过Simulation插件分析计算得出从动齿轮在工作时所受到的最大的屈服强度，计算出从动轮工作是的最大屈服强度，并通过赫兹公式进行应力分析计算得出的齿面接触应力值同样也小于通过有限元分析计算得出的最大屈服强度。通过与45刚材料本身的屈服强度进行对比，得知齿轮完全可以承受所施加的扭矩大小，所以齿轮传动机构在工作时平稳可靠的。
　　②通过动力学分析，得到了齿轮的前4阶的固有频率和振型，通过分析振型图可以得知，齿轮的振动主要发生在齿轮的齿根部位及靠近齿根的部位，通过分析数据得知齿轮的固有频率远超过除冰机构设备的工作频率，所以根据共振原理分析得知，齿轮在工作时不会发生共振现象。
　　③利用Solidworks中的Simulation有限元分析插件对其进行仿真和分析，我们可以通过分析结果来发现之前设计中的存在的一些结构性问题，并且通过相关数据对比分析进行及时的修正和优化。通过计算机辅助工程设计我们可以大大的提高机械设计的效率，缩短了产品的研发周期，并且可以有效地降低研发成本。
　　参考文献
　　李庆峰. 全国输电线路覆冰情况调研及事故分析[J]. 电网技术， 2008， 32（9）： 33-36.
　　山霞， 舒乃秋. 关于架空输电线除冰措施的研究[J]. 高电压技术， 2006（4）： 25-27.
　　杨国来. 机械系统动力学建模与仿真[M]. 国防工业出版社， 2015， 10.
　　LUO Cheng， XU Wen-zheng， WANG Yun， et al. Aviation Electroncis Environmental Test Simulation Technology[J]. EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING， 2010， 7（6）： 21-23. 　　ZHANG Wei， WANG Xun-ming， ZHU Yong-ren. Applications of Computer-aided Engineering （CAE） in Papaer Dryer Shell Design[J]. LIGHT INDUSTRY MACHINERY， 2007， 25（4）： 16-19.
　　杨义勇. 现代机械设计理论与方法[M]. 清华大学出版社， 2014， 05.
　　王胜曼. 渐开线直齿圆柱齿轮传动有限元分析及仿真[J]. 内燃机与配件， 2019， （3）： 36-38.
　　Wu FeiL， Congjun， Zhan Jie， et al. Milling Deformation Analysis of Turbine Blade based on SolidWorks and ABAQUS[J]. Aerospace Manufacturing Technology， 2016， 2： 20-23.
　　QIAN Xue-yi. Design of Counteracting Fatigue of Vice Gear of Pin Gear[J]. LIGHT INDUSTRY MACHINERY， 2007， 25（3）： 71-73.
　　李大磊， 赵玉奇， 张志林. SolidWorks高级功能与工程应用[M]. 北京邮電大学出版社， 2009， 08.
　　周琦， 吴泽凯. 基于SolidWorks的切割机行走齿轮有限元分析[J]. 内燃机与配件， 2019， （13）： 54-56.
　　任小中. 齿轮参数化建模与有限元分析的集成研究[J]. 机械设计与制造， 2014， 03： 50-52.
　　周琦， 吴泽凯. 基于SolidWorks的切割机行走齿轮有限元分析[J]. 内燃机与配件， 2019， （13）： 54-56.
　　沈晓斌. 基于DYNA的齿轮有限元分析与研究[J]. 中国农机化学报， 2014， 11： 57-60.
　　Chen Wujun， Zhou Jinyu， Zhao Junzhao. Computational methods for the zero-stress state and the pre-stress state of tensile cable-net structures[J]. Journal of Zhejiang University. Science A， 2014， 15（10）： 813-828.
　　吴大任， 骆家舜. 齿轮啮合理论（附微分几何简介）[M]. 北京： 科学出版社， 1985.
　　刘亚琼， 王铁， 武志斐， 等. 错齿啮合齿轮应力分析[J]. 机械传动， 2015， 39（06）： 107-110.
　　张泉. 采煤机截割部摇臂及内部高速端直齿轮有限元分析[D]. 东北大学， 2015.
　　邱林， 宋爱平， 彭云， 等. 渐开线弧齿圆柱齿轮有限元模态分析[J]. 机械， 2016， 43（10）： 6-10.
　　雷君， 李曼丽， 王成达， 等. 基于变速器振动特性的齿轮异常磨损分析[J]. 机械传动， 2019， 43（5）： 141-1.
　　
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15233957.htm