密炼机减速箱箱体设计中有限元法的应用

吴俊功，张 津，孙 齐

（大连橡胶塑料机械股份有限公司，辽宁 大连 116300）

密炼机减速箱箱体设计中有限元法的应用

Application of fi nite element method in design of reducer casing for mixer

吴俊功，张 津，孙 齐

（大连橡胶塑料机械股份有限公司，辽宁 大连 116300）

利用有限元法计算密炼机减速箱箱体的应力与应变，对箱体的应力与应变大的位置进行结构优化，再运算对比，最终得到优化的减速箱箱体结构。

密炼机；减速箱；箱体；有限元；最大拉应力；总变形；bearing load ；ANSYS Workbench

密炼机是橡胶制品厂，尤其是轮胎厂的重要设备，主要用于胶料的热炼、混炼及终炼。特点是低速重载、冲击大,工作时平均功率低于额定功率，但尖峰负载超过额定功率的2倍。由于减速器箱体结构的复杂性，传统的计算方法难以对箱体的强度和刚度进行精确计算与校核，为了保证减速箱的可靠性及安全性，减速箱的箱体设计趋于保守，减速箱箱体的壁厚等一般比较厚，减速箱的质量占密炼机的比重较大。随着有限元技术的发展，应用有限元软件，建立箱体的三维实体模型，对箱体各部分的应力分布、变形等进行详细的计算、分析、比较，从而对箱体的结构进行优化，这样既保证减速箱箱体的强度和刚度满足要求，又降低箱体的质量和成本。

1 建立模型

在对减速器箱体进行有限元分析时，首先建立相应的实体模型，在模型建立之前，为了节约网格划分和计算时间，对箱体进行一定的简化，将其中上下箱体的螺栓孔、瓦盖和瓦座螺栓孔等进行省略，考虑到轴向力的存在，保留端面螺栓孔，基于以上思想在UG中建立模型，通过parasolid格式导入ANSYS Workbench，减速器箱体模型如图1所示。

由于ANSYS Workbench自动识别所有接触表面，经过检查，上、下箱体和轴承座的接触均为绑定。箱体的材料选用的是HT200,在有限元分析中假设材料为线弹性材料，材料的力学性能按常温下选取如表1。

图1 箱体模型

表1 常温下HT200力学性能表

2 边界条件

减速器箱体与地基座通过10个地脚螺栓连接，在这里将这10个螺栓孔施加全约束，限制了箱体的位移，这与实际工况相符。箱体所受到的载荷在这里我们通过计算轴承所承受的支反力可以求得。

减速器单输入双输出，三级减速，主要技术规范如下：输入功率2 550 kW，输入转速1 500 r/min，减速比25，前后转子的输出转速均为60 r/min。在计算箱体载荷时，要注意到的是减速箱的输出端前转子和后转子的功率的分配比是1:1，可以求得箱体所受到的载荷，如表2、图2所示。

表2 箱体受到的径向载荷

图2 箱体径向载荷图

在计算箱体载荷时，将箱体受到的轴向载荷通过Bearing load施加到箱体的轴承座上，如表3、图3所示。

表3 箱体受到的轴向载荷

3 分析结果

经过计算，可以得到最大拉应力云图，如图4所示，应变云见图5。

计算结果：

（1）通过箱体的应力云图可以看到箱体的平均应力不大，各轴承座处的应力在20 MPa左右；其中前面两输出轴轴承座筋板处在32 MPa左右，相对较大。最大拉应力在短输出端后面的轴承座处（主要由齿轮的轴向力造成），为68.395 MPa，HT200的抗拉强度σb=130 MPa，安全系数1.9倍。

图3 箱体轴向载荷图

图4 最大拉应力云图

图5 应变云图

（2）通过箱体的应变云图可以看到箱体整体总变形不大，主要是由轴向力产生，最大值出现在输出轴前段轴瓦和轴承座处，变形值0.12 mm。

4 优化结构后，计算根据机械设计计算手册，箱壁的厚度δ=0.025a +5=24，（a为第三级中心距），此箱体的壁厚是30 mm。根据以上计算结果进行优化结构：

（1）减少箱壁的厚度，将箱体的厚度由30 mm减少到24 mm；

（2）从增加箱体刚度的角度出发，在轴瓦和轴承座处增加筋板，同时在箱盖第二级大齿轮处拉一个筋板;

（3）在以上计算最大拉应力处（输出端后轴承座处），将轴承座厚度增大，由80 mm增大到120 mm。

经过计算，可以得到最大拉应力云图，如图6所示，应变云见图7。

TQ330.43

1009-797X(2015)13-0068-02

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.13.022

吴俊功，男，高级工程师，1995年毕业于大连大学机械工程系，主要从事传动装置的设计与研发工作，已发表论文10余篇。

2015-01-14