基于計(jì)算機(jī)仿真的甘蔗收割機(jī)變速器齒輪受力研究

張沛朋，陳永翔

（濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院成教中心，河南濟(jì)源454650）

基于計(jì)算機(jī)仿真的甘蔗收割機(jī)變速器齒輪受力研究

張沛朋，陳永翔

（濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院成教中心，河南濟(jì)源454650）

計(jì)算機(jī)仿真是機(jī)械設(shè)計(jì)與分析的重要技術(shù)之一，以變速器齒輪為研究對(duì)象，基于計(jì)算機(jī)齒輪的受力分布進(jìn)行仿真分析.分析結(jié)果表明：工作過(guò)程中，變速器齒輪輪齒滿足齒輪最大應(yīng)力設(shè)計(jì)要求，使用過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)輪齒斷裂等缺陷；齒輪嚙合過(guò)程中，輪齒在進(jìn)入嚙合與退出嚙合過(guò)程中輪齒單面受力，導(dǎo)致齒輪應(yīng)力最大；通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真分析有利于節(jié)約設(shè)計(jì)成本，同時(shí)也為設(shè)備設(shè)計(jì)提供參考.

計(jì)算機(jī)仿真；變速器齒輪；應(yīng)力

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于各行各業(yè)，尤其是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，極大地提高了機(jī)械制造的整體水平[1，2].農(nóng)業(yè)機(jī)械化是中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)，在國(guó)家大力推動(dòng)下，農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展迅速，結(jié)合高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真為農(nóng)業(yè)機(jī)械化設(shè)計(jì)提供重要的參考，同時(shí)也節(jié)約農(nóng)業(yè)機(jī)械化設(shè)計(jì)成本[3].隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，收獲機(jī)械是甘蔗生產(chǎn)機(jī)械化的難點(diǎn)，同時(shí)也是制約中國(guó)甘蔗生產(chǎn)機(jī)械化的瓶頸[4，5].甘蔗耕種收割機(jī)械化程度低導(dǎo)致中國(guó)甘蔗生產(chǎn)成本居高不下，在世界蔗糖業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力受到巨大沖擊，甘蔗收割機(jī)械化已成為中國(guó)甘蔗生產(chǎn)迫切需要解決的問(wèn)題[6，7].筆者以農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備輪式甘蔗收割機(jī)為研究對(duì)象，基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)著重對(duì)甘蔗收割過(guò)程中收割機(jī)變速器齒輪的受力分布進(jìn)行研究，分析結(jié)果為國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械化設(shè)備中的甘蔗收割機(jī)的設(shè)計(jì)及分析提供理論指導(dǎo).

1 分析對(duì)象及主要參數(shù)

圖1 甘蔗收割機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

以收割機(jī)為研究對(duì)象.輪式甘蔗收割機(jī)主要由斷尾裝置、扶蔗裝置、壓倒機(jī)構(gòu)、砍蔗裝置、喂入機(jī)構(gòu)、蔗葉分離裝置、輸出機(jī)構(gòu)以及各種附件等組成，甘蔗收割機(jī)的基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

齒輪是機(jī)械工程中應(yīng)用最廣泛的零件之一，具有傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)比準(zhǔn)確、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在使用過(guò)程中主要負(fù)責(zé)傳遞動(dòng)力，因而從零件失效的機(jī)理分析，齒輪也是最容易出故障的零件之一[8].近幾年在國(guó)家和地方等大力扶持下，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備甘蔗收割機(jī)發(fā)展日益迅速，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究了甘蔗收割機(jī)的扶蔗裝置、砍蔗裝置、蔗葉分離裝置，幾乎沒(méi)有對(duì)甘蔗收割機(jī)變速器齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，筆者將針對(duì)輪式甘蔗收割機(jī)變速器齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析.

甘蔗收割機(jī)變速器齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中，齒輪的主要參數(shù)如表1所示.

表1 齒輪參數(shù)

2 齒輪的建模與數(shù)值分析

2.1 齒輪的三維建模

建立正確的三維幾何模型是有限元分析的基礎(chǔ)，根據(jù)表1中齒輪參數(shù)，利用SolidWorks建立創(chuàng)建有效的三維齒輪模型，并進(jìn)行了裝配.

在SolidWorks軟件中，利用方程式驅(qū)動(dòng)的曲線畫出漸開(kāi)線，然后畫出主動(dòng)、被動(dòng)齒輪，之后進(jìn)行裝配.SolidWorks中實(shí)現(xiàn)直齒輪的裝配很容易，需要添加以下約束：a.軸線對(duì)齊；b.相鄰齒面相切；c.端面對(duì)齊或偏距.

裝配完成后，對(duì)裝配三維模型進(jìn)行全局干涉驗(yàn)算，干涉體積應(yīng)為零，即齒輪模型之間沒(méi)有發(fā)生干涉，如圖2所示.

2.2 齒輪的應(yīng)力分析

將SolidWorks中建立的齒輪模型轉(zhuǎn)化為中性格式，利用ANSYS對(duì)甘蔗收割機(jī)變速器齒輪應(yīng)力進(jìn)行分析.為了獲得較高的計(jì)算精度，采用六面體網(wǎng)格對(duì)齒輪進(jìn)行網(wǎng)格劃分；同時(shí)考慮到齒根應(yīng)力較大，在齒根處對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，最終網(wǎng)格模型分別如圖3所示.

圖2 齒輪裝配圖

圖3 輪齒網(wǎng)格

根據(jù)實(shí)際工況，齒輪邊界條件主動(dòng)齒輪輸入力矩為100 000 N.mm，兩齒輪可繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)并約束其他自由度.

3 分析結(jié)果與討論

3.1 嚙合理論

齒輪在傳遞動(dòng)力時(shí)，嚙合過(guò)程如圖4所示，假設(shè)主動(dòng)齒輪逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)主動(dòng)齒輪與被動(dòng)齒輪齒數(shù)可求得傳動(dòng)比i=42/20=2.1，可以知道齒輪在嚙合過(guò)程中，存在2.1個(gè)輪齒相嚙合.

通過(guò)圖4可以看出，兩齒輪在A點(diǎn)開(kāi)始嚙合，被動(dòng)齒輪隨著主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)輸出動(dòng)力，帶動(dòng)甘蔗收割機(jī)主要部件工作；當(dāng)輪齒運(yùn)轉(zhuǎn)到B點(diǎn)時(shí)，兩輪齒開(kāi)始分離，退出嚙合.

3.2 齒輪應(yīng)力分析

在嚙合過(guò)程中，齒輪的受力直接影響著齒輪的使用壽命，進(jìn)而影響甘蔗收割機(jī)的使用壽命.分析齒輪的受力分布對(duì)甘蔗收割機(jī)的研究位于十分重要的地位，利用ANSYS分析齒輪的受力分布，分析結(jié)果如圖5所示.

圖4 齒輪嚙合

圖5（a）為齒輪傳遞動(dòng)力過(guò)程中的應(yīng)力分布云圖，可以看出由圖5（a）可以看出，齒輪在剛剛嚙入與準(zhǔn)備退出嚙合時(shí)齒輪應(yīng)力最大，應(yīng)力大小為171.37 MPa，滿足齒輪材料應(yīng)力要求，使用過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)齒根斷裂破壞現(xiàn)象；圖5（b）為嚙合輪齒放大圖，從圖5（b）可以看出，相嚙合的中間輪齒受力較??；傳遞動(dòng)力過(guò)程中，齒根及齒根周圍存在應(yīng)力分布，應(yīng)力大小為40 MPa.

圖6為傳遞過(guò)程中主動(dòng)齒輪輪齒應(yīng)力分布云圖，從圖6可以明顯看出齒輪嚙合過(guò)程中齒輪受力分布.剛開(kāi)始嚙合時(shí)，齒輪在分度圓處單面嚙合，該嚙合狀態(tài)為輪齒上一條直線嚙合，在該嚙合區(qū)輪齒應(yīng)力最大，大小為171.37MPa；在齒輪退出嚙合時(shí)，由于也是單面嚙合，輪齒應(yīng)力較大；中間輪齒雙面嚙合傳遞動(dòng)力，齒輪受力沿輪齒中線呈對(duì)稱分布，應(yīng)力較小.在傳遞動(dòng)力過(guò)程中，嚙合輪齒向齒輪中心延伸，存在應(yīng)力分布，應(yīng)力較小.

圖5 嚙合齒輪應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算機(jī)分析技術(shù)，對(duì)建立的仿真模型進(jìn)行計(jì)算，分析了輪式甘蔗收割機(jī)變速器齒輪在收割甘蔗時(shí)的應(yīng)力分布，得出以下結(jié)論：

1）在收割甘蔗時(shí)，甘蔗收割機(jī)傳動(dòng)齒輪輪齒最大應(yīng)力滿足齒輪設(shè)計(jì)要求，在使用過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)因齒根應(yīng)力過(guò)大而導(dǎo)致輪齒斷裂等現(xiàn)象；

2）甘蔗收割機(jī)工作時(shí)，齒輪嚙合過(guò)程中，輪齒進(jìn)入嚙合與退出嚙合過(guò)程中輪齒單面受力，應(yīng)力最大，中間輪齒受力相對(duì)較小.

通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真分析，不僅可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，同時(shí)也為節(jié)約設(shè)計(jì)成本提供了重要的參考.

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（責(zé)任編輯 李健飛）

Transmission Gear Stress Research on Wheeled Sugarcane Harvester Based on the Computer Simulation

ZHANG Pei-peng，CHEN Yong-xiang
（Centre of Adult Education，Henan Vocational Institute of Technology，Jiyuan，Henan 450046，China）

The computer simulation is one of the important technologies of modern agricultural machinery design and analysis.Taking the transmission gears of wheeled sugarcane harvester as a research object，this paper makes a simulated analysis of the stress distribution of drive gear in the process of sugarcane harvest.The results show that in the working process of the sugarcane harvester，the transmission gear tooth meets the demand of maximum stress of gear design.The defects such as tooth fracture do not appear；the tooth single stress in the process of gear meshing and exit，which can lead to the biggest stress，appears in tooth.The computer simulation analysis can be beneficial to saving the cost of design，and also provide the reference to agricultural machinery design.

computer simulation；transmission gear；stress

TP391.9

：A

：1673-1972（2015）06-0067-03

2015-06-29

河南省社會(huì)發(fā)展領(lǐng)域科技攻關(guān)項(xiàng)目（112102310377）

張沛朋（1983-），男，河南開(kāi)封人，講師，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究.