基于NX Nastran的礦用井下裝載機(jī)變速器有限元分析

摘 要：本文以礦用井下裝載機(jī)變速器為研究對(duì)象，主要基于有限元方法對(duì)變速器進(jìn)行數(shù)字化建模，并對(duì)變速器零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行有限元分析，通過應(yīng)力圖和云圖找出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題所在，對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)直接進(jìn)行改進(jìn)，滿足井下復(fù)雜工況下的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：井下裝載機(jī)；變速器；有限元分析

礦用井下裝載機(jī)是一種一種矮車身、中央鉸接、前段裝載的裝、運(yùn)、卸聯(lián)合作業(yè)設(shè)備。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是車輛中最復(fù)雜和關(guān)鍵的系統(tǒng)之一，也一直是車輛工程中的前沿、關(guān)鍵技術(shù)和亟待解決的重要科學(xué)研究對(duì)象。本文主要應(yīng)用UG軟件二次開發(fā)對(duì)變速器箱體、漸開線斜齒輪和軸類零部件進(jìn)行實(shí)體建模，并進(jìn)行模擬裝配。然后應(yīng)用NX Nastran進(jìn)行變速器箱體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)特性的求解分析。

隨著我國采礦工業(yè)的發(fā)展，對(duì)井下采礦和運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備的需求量越來越大，在技術(shù)和可靠性上的要求也進(jìn)一步提高。為縮小與國外產(chǎn)品差距、加快工程機(jī)械自主化研發(fā)速度、提高我國井下裝載設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造水平、提高采礦生產(chǎn)率和降低成本，本文以井下裝載機(jī)傳動(dòng)核心—?jiǎng)恿Q檔變速器為研究對(duì)象。動(dòng)力換檔變速器在特定的工作環(huán)境和裝載工況下頻繁換擋，變速器的工作性能和可靠性決定了整機(jī)的性能和壽命，所以對(duì)變速器的研究至關(guān)重要。

1 變速器模型的建立

1.1 變速器的介紹

本文是以井下裝載機(jī)、鏟運(yùn)機(jī)的定軸式動(dòng)力換擋變速器，是應(yīng)用于非公路工作條件下的變速器，其強(qiáng)度和可靠性高的特點(diǎn)適用工程機(jī)械的工況多、載荷大、在工作過程中頻繁的變換檔的工作環(huán)境。因此該類型變速器在地下裝載機(jī)中廣泛應(yīng)用。該液力變速器由液力變矩器、動(dòng)力換擋變速箱（變速箱箱體、前殼和齒輪離合器部件）、操縱閥等部分組成。該變速器的軸系是定軸式布置的，這樣就減小了箱體的軸向尺寸，使軸部件的布置更加緊湊，且符合箱體內(nèi)部空間的要求?？倷C(jī)在工作過程中需要降軸且為四驅(qū)，即前后橋都需要?jiǎng)恿敵?，定軸式變速器滿足這一要求。

1.2 變速器的數(shù)字化建模

變速器箱體是鑄造件，其中箱體壁有很多油路且其壁厚度不一，導(dǎo)致箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了測(cè)繪的難度。為了能夠得到準(zhǔn)確的模型，測(cè)繪時(shí)首先使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)來測(cè)量其關(guān)鍵位置的定位，測(cè)量得到關(guān)鍵位置的坐標(biāo)參數(shù)。將多次的測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行裝配，最后得到箱體的整體測(cè)量的主要數(shù)據(jù)即點(diǎn)云。將測(cè)量結(jié)果保存為*.igs文件，導(dǎo)入U(xiǎn)G中進(jìn)行箱體主要面和基準(zhǔn)的完善和建模。

2 變速器主要零部件建模

井下裝載機(jī)/鏟運(yùn)機(jī)用變速器中安裝的多為漸開線變位斜齒輪，所以變位齒輪的設(shè)計(jì)建模是我們面臨的首要問題。本文應(yīng)用UG NX7.0的實(shí)體造型、編輯和布爾運(yùn)算功能，并選擇UG提供的Grip作為二次開發(fā)工具，根據(jù)設(shè)計(jì)中齒輪的法面齒數(shù)、模數(shù)、壓力角等重要參數(shù)自動(dòng)生成三維模型。

3 變速器零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

3.1 變速器箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

箱體靜力分析主要是應(yīng)用NX Nastran基本模塊進(jìn)行求解。Nastran靜力分析主要是求解結(jié)構(gòu)與時(shí)間無關(guān)或時(shí)間作用效果可忽略的靜力載荷（包括集中載荷、分布載荷、溫度載荷、慣性載荷等）作用下的響應(yīng)，得出所需節(jié)點(diǎn)的位移、節(jié)點(diǎn)力、約束反力、單元內(nèi)力、單元應(yīng)力和應(yīng)變能等。變速器箱體是鑄造件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其表面不規(guī)則曲面較多，因此需要簡(jiǎn)化箱體結(jié)構(gòu)，并定義材料屬性及網(wǎng)格劃分，箱體受荷載分析，添加約束和荷載，得到其應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D。

根據(jù)箱體的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，可以作如下改動(dòng)：將箱體軸承座孔處壁厚加厚，其他部位減薄。改進(jìn)后箱體滿足強(qiáng)度條件，且應(yīng)力分布更均勻，箱體重量減輕。分析結(jié)果顯示箱體改進(jìn)方案有效可行。

3.2 輸出軸的有限元分析

對(duì)變速器的輸出軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，包括靜力分析和疲勞分析，在一檔工況時(shí)，變速器箱體會(huì)承受較大的載荷并產(chǎn)生較大的應(yīng)力和變形。

3.2.1 輸出軸的靜力分析

由應(yīng)力圖可以看出最大應(yīng)力為45.5MPa，出現(xiàn)在軸承端面兩側(cè)；由位移圖可以看出紅色出為最大位移值為9.604×10.-3mm。因此，最大應(yīng)力<[σ]，變形位移也較小，所以輸出軸強(qiáng)度足夠。

3.2.2 輸出軸疲勞特性分析

由疲勞安全因子云圖看出輸出軸的破壞疲勞壽命最大為10.36次，最小處也為6.4×10.12次，所以都在設(shè)計(jì)壽命之外，絕對(duì)安全。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用三維建模軟件UG完成了對(duì)井下裝載機(jī)變速器逆向設(shè)計(jì)，建立了變速器的三維模型；使用有限元分析軟件NX Nastran對(duì)變速器的箱體和主要零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究。通過對(duì)箱體，齒輪，軸等部分關(guān)鍵部件進(jìn)行分析可知，該研究方法對(duì)于結(jié)構(gòu)分析快速有效，且通過云圖可以直接找出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題所在，對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)直接進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，滿足井下復(fù)雜工況下的應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：東鑫淵（1988-），男，漢族，陜西西安人，碩士，西安思源學(xué)院工學(xué)院講師，主要研究方向：車輛工程。