減速器功率提升的數(shù)字仿真

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      毛謙德教授，北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院，100081；劉耀乙教授，北京理工大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，100081.早先在設(shè)計(jì)傳動(dòng)裝置時(shí)，必須在方案設(shè)計(jì)和確定尺寸時(shí)考慮大量的運(yùn)行參數(shù)，允許功率幾何邊界和位置關(guān)系、速比數(shù)據(jù)等許多參數(shù)均有待確定。在確定減速器軸的尺寸時(shí)，所傳遞的轉(zhuǎn)矩、出現(xiàn)的彎曲應(yīng)力和橫向力，相應(yīng)地考慮危險(xiǎn)區(qū)域的應(yīng)力集中，都對(duì)計(jì)算起著決定性的作用。對(duì)于滾動(dòng)軸承計(jì)算，確定尺寸時(shí)應(yīng)計(jì)入應(yīng)用中要求的壽命預(yù)定值和空間限制。

　　如今對(duì)傳動(dòng)技術(shù)部件，例如齒輪減速器，要求重量輕、減速器結(jié)構(gòu)牢固、功率密度高、減速器元件壽命長。從減速器的單件生產(chǎn)到大量的減速器系列，要求在規(guī)劃階段即對(duì)單個(gè)系統(tǒng)元件進(jìn)行精確的評(píng)價(jià)，這些元件在不同的安裝條件和運(yùn)行條件下必須無故障地工作。在開發(fā)階段，這種類型的復(fù)雜系統(tǒng)愈來愈多地利用數(shù)字仿真的方法進(jìn)行研究。

　　為了識(shí)別靜態(tài)的、特別是動(dòng)態(tài)的極限運(yùn)行關(guān)系，在機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)中建立了仿真模型，它們在建模中力求盡可能接近地描繪出實(shí)際系統(tǒng)。每一個(gè)實(shí)際的傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算模型僅僅表示一個(gè)抽象的概念。除了求得齒輪嚙合中的變形關(guān)系和位移外，特別為分析動(dòng)態(tài)性能建立了計(jì)算模型，其中規(guī)定了下列重點(diǎn)：一一通過動(dòng)態(tài)仿真在新開發(fā)或優(yōu)化時(shí)節(jié)省費(fèi)用和時(shí)間。

　　一一澄清提出的問題（共振、軸或箱體斷裂、噪音等）。

　　一一確定與預(yù)定極限指標(biāo)（如能量消耗剛度極限轉(zhuǎn)速結(jié)構(gòu)空間、噪音輻射等）有關(guān)的最佳參數(shù)。

　　為了適應(yīng)日益增長的市場需求，近年來在SKF進(jìn)行了大量的軟件開發(fā)工作，其中特別注意開發(fā)既用于滾動(dòng)軸承開發(fā)，又用于系統(tǒng)描述的模型軟件和仿真軟件。由SKF開發(fā)的用于復(fù)雜系統(tǒng)建模和仿真的軟件包之一就是Orpheus程序，這是一套最全面地逼近實(shí)際運(yùn)行條件的建模和仿真程序。

　　利用這個(gè)軟件包，可以實(shí)現(xiàn)分析整個(gè)部件或機(jī)器（如包括齒輪、軸箱體和滾動(dòng)軸承的減速器）的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的計(jì)劃任務(wù)。

　　為了能夠?qū)KF工程師們的專業(yè)知識(shí)和技術(shù)能力提供給所有的用戶，建立了一個(gè)在“SKF工程咨詢服務(wù)”名義下為SKF用戶圈提供計(jì)算技術(shù)服務(wù)的業(yè)務(wù)部門。服務(wù)的重點(diǎn)是工程應(yīng)用的分析建模和靜、動(dòng)態(tài)性能仿真。優(yōu)先的應(yīng)用范圍是圓柱齒輪減速器或行星減速器、壓縮機(jī)、泵、電機(jī)或整個(gè)傳動(dòng)回路，它們在問題歸納時(shí)，在缺陷分析變形特性或噪音及振動(dòng)性能方面，或者為了優(yōu)化系統(tǒng)，能夠非常精確地進(jìn)行研究。

　　218K減速器方案樣機(jī)以為參加2003年漢諾威工業(yè)博覽會(huì)被SKF公司的不同部門優(yōu)化了的18K減速器方案樣機(jī)為例（），說明其設(shè)計(jì)過程。

　　18K減速器方案樣機(jī)是在一個(gè)280直齒減速器的基礎(chǔ)上，經(jīng)過相應(yīng)的詳細(xì)建模和分析建造的，并且在相同的速比和功率數(shù)據(jù)下，將中心距減小到250mm.為了使所有的部件和新的功率密度相匹配，并且達(dá)到要求的超過5000h的系統(tǒng)壽命，有必要對(duì)減速器的單個(gè)零部件重新進(jìn)行計(jì)算。除了新的、較高承載能力的SKF軸承，即承載數(shù)平均提高15%的柔度特性、變形特性及構(gòu)件負(fù)荷的數(shù)字仿真，對(duì)減速器進(jìn)行分析。

　　在建模中，考慮了減速器箱體的所有零件、軸>參與工作的軸承及單個(gè)齒輪嚙合。建模中的難點(diǎn)是滾動(dòng)軸承的詳細(xì)描繪、考慮軸承中的預(yù)緊力、軸承間隙、溫差等運(yùn)行參數(shù)以及出現(xiàn)的偏斜情況。制造偏差（例如裝配或定向誤差，軸承配合的不圓度）雖然原則上是可以建模的，但是在研究中沒有考慮進(jìn)去。

　　由原始的箱體設(shè)計(jì)可以非?？斓亟⑾潴w的三維模型（）。該模型輸入到商業(yè)性有限元軟件“ANSYS*程序，插入單個(gè)節(jié)點(diǎn)（滾動(dòng)軸承外壞端蓋）描述，并且連成箱體網(wǎng)格（）。

　　網(wǎng)格結(jié)構(gòu)一般數(shù)據(jù)很多，往往由于處理時(shí)間太長，而不適用于實(shí)際分析。因此，為了進(jìn)一步處理箱體結(jié)構(gòu)，采用了一種稱為CMS（組元模態(tài)合成法）的靈巧的壓縮技術(shù)，由此明顯地降低了自由度的數(shù)目l2J.在這種方法中，構(gòu)件的變形場通過相應(yīng)的形狀函數(shù)描述，選擇形狀函數(shù)時(shí)應(yīng)使它們滿足邊界條件。

　　利用這種方法，可以算出變形，并且自然地求得在寬頻率范圍中的振動(dòng)模態(tài)。作為用于進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算的基本結(jié)構(gòu)，表示了了包括所有組成部分的減速除了計(jì)算核心外，Orpheus程序還提供了有目的的動(dòng)畫和形象化的可能。結(jié)構(gòu)的變形性能或應(yīng)用的動(dòng)態(tài)性能可以按照這種方式進(jìn)行圖形處理（和），或者作為錄像演示觀看。用于不同結(jié)構(gòu)或方案之間的比較觀察數(shù)據(jù)可以對(duì)照列出，并且進(jìn)行評(píng)價(jià)。可能的優(yōu)化措施，及其對(duì)與箱體結(jié)構(gòu)、軸承選擇和軸承排列等因素有關(guān)的剛度變化的影響，能夠在計(jì)算機(jī)中虛擬地進(jìn)行建模。

　　3總結(jié)在18K項(xiàng)目范圍內(nèi)，為了評(píng)價(jià)和優(yōu)化18K減速器方案樣機(jī)，獲得了下列數(shù)據(jù)：單個(gè)滾動(dòng)軸承內(nèi)的所有接觸應(yīng)力分布。

　　一一軸承內(nèi)外座圈之間出現(xiàn)的傾斜。

　　一一按照ISO281131計(jì)算出的單個(gè)滾動(dòng)軸承的修正名義軸承壽命。

　　識(shí)別振動(dòng)特性和減速器可能的主特征噪音源的研究，不是優(yōu)化措施的對(duì)象。

　　減速器方案樣機(jī)18K的功率與如今工業(yè)中通常使用的大型280減速器相當(dāng)，然而與基本模型相比，重量減輕了15%~2（%，尺寸減小了1現(xiàn)~20%，能耗減少了10%~13%.與SKF程序Orpheus相連的有限兀方法的大量應(yīng)用，使得對(duì)整個(gè)減速器系統(tǒng)的所有傳動(dòng)部件的靜動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行詳細(xì)的分析成為可能。

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