基于ANSYS的工业减速机箱体结构有限元分析方法

孙 友

（天津机电职业技术学院，天津 300350）

1 工业减速机的结构特点

工业减速箱是重型机械的重要驱动部件，承载着多个重载齿轮、齿轴合轴承的支撑与定位作用。在传统计算中，一般只考虑减速箱在无合箱螺栓的载荷下对箱体变形的影响。在实际工作中，合箱螺栓是连接和承载箱体变形的重要连接部件，因此，合箱螺栓的受力会直接影响减速机箱体的受力和变形，从而直接影响齿轮的啮合精度，导致齿轮传动面受力不均，造成传动失效、可靠性低等问题。因此，减速机箱体的计算必须添加合箱螺栓才能保证箱体在实际工况下具有足够的刚性去承受力和力矩的作用，防止变形，保证传动质量[1]。这是一种双入双出的重载工业减速机，输入功率为700kW。该减速机结构能够传递较大的输出扭矩，承载较大。

2 工业减速机箱体分析

2.1 拧紧螺栓理论受力分析

承受预紧力和工作载荷的紧螺栓连接，这类螺栓在安装时需要预紧，预紧使得螺栓被拉伸、被连接件被压缩，螺栓承受的拉力和被连接件承受的压力F0为预紧载荷。当连接承受工作载荷Fe后，螺栓被进一步拉伸、被连接件被放松，螺栓承受的拉力由F0增加到F，而被连接件承受的压力F0减少为残余预紧力Fr。根据机械设计理论，力F和Fr的大小可由式（1）及式（2）计算得到[2]：

2.2 减速机箱体建模

考虑到箱体结构的复杂性，应先利用三维建模软件建立箱体的实体模型（见图2），再导入至有限元分析软件中建立箱体的有限元模型。在solidworks环境下建立减速箱地实体模型，通过实体模型的建立能直接导入到有限元模型中进行有限元分析计算。

图2 箱体三维模型

3 减速机箱体有限元计算

3.1 材料性能参数

材料性能参数，如表1所示。

表1 箱体材料属性

3.2 有限元模型及边界条件

根据减速箱箱体的复杂程度，精度要求及计算求解时间等实际因素，采用3D 10节点六面体单元对箱体进行网格划分。输入功率700kW，安全系数为2.5，计算箱体轴承孔受力，并添加合箱螺栓M30（8.8级）、M42（8.8级）。根据以上载荷情况，建立箱体有限元模型（见图3）。

3.3 分析计算结果

有限元分析变形结果如图4和图5所示。

箱体的受力变形计算结果可知，添加螺栓箱体的最大变形值为0.643mm，不添加螺栓箱体的最大变形值为0.344mm，最大的变形位置是轴承孔。添加螺栓箱体的最大变形量是不添加螺栓箱体的最大变形的2倍，可知箱体的连接螺栓对于箱体的变形影响较大，而且在分析实际问题时，可以应用这种方法找出解决方案。

图4 不添加螺栓箱体变形图

图5 添加螺栓箱体变形图

4 结论

针对工业减速机箱体存在的变形问题，应用有限元分析方法，对不同箱体结构进行有限元分析，给出箱体的受力分布情况，计算出箱体在添加合箱螺栓和不添加合箱螺栓的两种不同模型下箱体的位移云图。研究结果表明，工业减速机箱体变形会受到合箱螺栓的较大影响，这种分析方法能够为解决实际问题提供有效依据。

[1]高旭，曾国英.螺栓法兰连接结构有限元建模及动力学分析[J].润滑与密封，2010，35（4）：68-71.

[2]高耀东．ANSYS Workbench 机械工程应用精华30例[M]．北京：电子工业出版社，2013：99-100.