基于Pro/E的采煤机齿轮修形量的研究

2015-12-31郑轶

机械工程与自动化 2015年4期

郑轶

（阳泉煤业二矿，山西阳泉 045000）

0 引言

齿轮传动是采煤机截割部中重要的一种机械传动，但由于采煤机在运行过程中发热和受各种载荷影响使得采煤机摇臂变形，导致截割部齿轮轴变形，从而使得采煤机传动系统效率降低，影响效益。鉴于此，迫切需要合理的齿轮修形法来减缓乃至消除采煤机在工作中传动效率低下的问题［1］。

1 齿轮修形量的理论分析

目前，解决高速重载齿轮的齿面压陷和剥落问题的方法是将其设计为鼓形齿，其目的是保证齿轮在最大倾斜条件下齿牙不发生棱边嵌入现象，当齿牙不倾斜或微有倾斜时，齿上的载荷集中最小［2］。

1.1 鼓形齿特点分析

鼓形齿是齿向修形的一种，该修形可以补偿齿轮制造误差和齿轮在载荷作用下的各种弹性变形量，也可弥补由于人为装配所存在的不可避免的安装误差。本文主要考虑最常见的装配误差——交错轴装配误差［3－4］。交错轴装配示意图如图1所示。

1.2 鼓形齿的结构设计

采用等半径鼓形，两齿全修形，由几何关系不难得出鼓形半径的计算公式为：

其中：bc为1/2齿宽，即bc＝b/2，b为齿宽；Cc为鼓形量；Rc为鼓形半径。

图2中，α为由于齿轮轴弯曲变形和人为安装误差所引起的交错轴偏转角度［5］。

1.3 鼓形量的确定

在Pro/E中进行有误差装配从而确定修形量，通过逐步增大修形量，完成齿轮装配仿真，检查全局干涉情况。图3为经过多次仿真得出的实际修形量和理论修形量的对比［6］。

2 仿真分析

选取采煤机截割部中间变形最大的一对齿轮进行分析，表1为所选齿轮对参数。

图1 交错轴装配示意图

图2 鼓形修形示意图

图3 仿真得到的实际修形量和理论修形量曲线

表1 齿轮对参数

在Pro/E中假设交错轴偏转0.2°对齿轮进行修形，修形后的齿轮如图4所示。对所选取的两对齿轮在Pro/E中进行各种工况的装配，在装配好的齿轮中选取其某一对齿从开始啮入到啮出所转过角度，将其划分为5个角度，并将各角度工况下齿轮利用Pro/E与ANSYS的无缝连接导入ANSYS中进行接触分析，比较各工况下齿轮所受接触应力。

2.1 创建接触对

利用ANSYS接触向导将啮合齿轮Ⅰ的齿廓面1和齿轮Ⅱ的齿廓面2设置为接触对，使齿廓面1为接触面，齿廓面2为目标面。将其接触刚度因子FKN和拉格朗日算法允许的最大渗透量FTLON分别设置为1.0和0.1。同理设置啮合齿轮Ⅰ的齿廓面3、5、7、9和齿轮Ⅱ的齿廓面4、6、8、10为接触对，如图5、图6所示。

图4 修形后的齿轮

2.2 边界条件与载荷

接触区域应能保证它足以描述所需要的接触行为。ANSYS面－面接触单元使用GAUSS积分点作为接触检查点的缺省值，它比Newton－Cotes/robatto节点积分项可产生更精确的结果。将节点坐标系变换到柱坐标，则X和Y分别代表R和θ。约束齿轮Ⅱ安装孔表面上节点的所有自由度；约束齿轮Ⅰ安装孔表面上的节点，使其只有绕齿轮回转中心轴的转动自由度，即约束X、Z轴。在齿轮Ⅰ安装孔表面上的每个节点加Y方向（在圆柱坐标系下即为齿轮径向的切向力）上的载荷FY＝－1 255N［7］。

两啮合齿轮所加约束和载荷如图7所示。

2.3 求解

对于非线性问题，ANSYS的方程求解器采用带校正的线性近似来求解，它将载荷分成一系列的载荷向量，可以在几个载荷步内或者一个载荷步的几个子步内施加。ANSYS使用牛顿－拉普森平衡迭代的算法，迫使在每个载荷增量的末端解达到平衡收敛（在某个容限范围内）。本文采用1个载荷步、15个子步（其他均用缺省值）进行静力学分析［8］。