填充齒輪的設(shè)計及性能研究

張傳俊 張春芳

摘要：目的：為解決現(xiàn)代填充齒輪設(shè)計中傳動噪聲大、震動幅度大等缺陷，加快機械齒輪行業(yè)的快速發(fā)展。方法：本文在采煤機大型齒輪結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行泡沫鋁填充設(shè)計，以扭轉(zhuǎn)變形要求為約束條件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和仿真模擬。結(jié)果：優(yōu)化后的泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)齒輪的振幅較原型、初始設(shè)計有著明顯降低。結(jié)論：通過改變齒輪上圓孔的扇形結(jié)構(gòu)，使得優(yōu)化后齒輪振幅降低了10%，降噪性能提高了11.1%，輕質(zhì)性能提升5%，促進泡沫鋁填充齒輪在機械行業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：泡沫鋁;大型齒輪;模態(tài)模擬;降振減噪性能

中圖分類號：TD402 ?文獻標志碼：A ?文章編號：1008-4657（2020）02-0018-05

0 引言

伴隨著工業(yè)現(xiàn)代化腳步的加快，對齒輪傳動噪聲產(chǎn)生與機械振動的要求愈發(fā)嚴格[1]，提高大型齒輪的減振降噪效果等已成為機械制造領(lǐng)域重點探討的問題。國內(nèi)外的科研工作者們也展開了一定的研究，馬朝永等[2]通過建立改進的局部故障時變動力學模型實現(xiàn)了行星齒輪箱故障診斷。彭楠等[3]通過傳動動力模型建立的方式分析C型阻尼環(huán)的開口量、厚度等參數(shù)對錐齒輪的減振性能產(chǎn)生的影響，并由此尋找最優(yōu)化的阻尼環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)來使錐齒輪性能達到最佳。陸波等[4]通過建立齒輪-軸-軸承-箱體耦合系統(tǒng)三維有限元模型，并提出了一種計算斜齒輪時變剛度的方法有效評估齒輪動態(tài)特性與噪聲。泡沫鋁作為一種新型功能性材料，其降噪特性得到了認可，但是在齒輪構(gòu)件應用上卻并不多見。對此，本文進行泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)大型齒輪設(shè)計與優(yōu)化并進行了降噪實驗，推進高效、大功率、輕量化齒輪的發(fā)展。

1 泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)齒輪設(shè)計

以型號為MG400/920—WD的采煤機的減速器齒輪為原型，并將泡沫鋁作為填充結(jié)構(gòu)來設(shè)計一款降噪、低振、輕質(zhì)的齒輪。原齒輪結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]，材料為鑄鋼，壓力角α為20°，模數(shù)m、齒數(shù)z與齒寬B分別為6 mm、56、110 mm，內(nèi)孔Φ100 mm，另外在齒輪的均勻分布的6個Φ25 mm孔。本文在保持原齒輪結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將齒輪上的小圓孔更改為位置合理的扇形結(jié)構(gòu)，并以填充夾角β = 40°來進行填充，填充泡沫鋁的外徑D1、內(nèi)徑D2分別為265 mm、225 mm，齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

2.4 優(yōu)化結(jié)果

利用ANSYS軟件，設(shè)定目標函數(shù)、變量以及約束條件，得到最優(yōu)化的泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)的外徑與內(nèi)徑，分別為290 mm、238 mm。

3 齒輪模態(tài)模擬分析

3.1 模型的建立

利用Pro/E構(gòu)建初始設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計后的泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)齒輪3D模型，隨后將模型道導入到ANSYS軟件中[7]。對模型材料的各項參數(shù)進行一一設(shè)定，并利用SOL-ID186單元類型進行模型網(wǎng)格劃分。此外，參考于英華等人的研究進行加載約束條件與載荷[8]。

3.2 模擬結(jié)果

采用BlockLandczos[9]方法對模態(tài)進行提取，模態(tài)提取階數(shù)設(shè)定為5，原型、初始以及優(yōu)化后的齒輪結(jié)構(gòu)的前5階模態(tài)結(jié)果如圖3所示。

三種齒輪的前5階主要模態(tài)參數(shù)如表1所示。通過表1對比可以發(fā)現(xiàn)，無論是初始設(shè)計還是優(yōu)化后的齒輪設(shè)計，其前5階模態(tài)的固有頻率相較于原始齒輪均呈明顯增加趨勢，最大增加量達到了16.1%;而對于各階模態(tài)的振幅參數(shù)來說，相較于原始齒輪，其他兩種齒輪振幅明顯下降，尤其優(yōu)化后的泡沫鋁填充齒輪最大振幅降低了10.0%。通過以上數(shù)據(jù)可以知曉，齒輪使用泡沫鋁填充能起到良好的減振作用，特別是優(yōu)化后的填充結(jié)構(gòu)齒輪減振效果更為優(yōu)異。

4 減振降噪的實驗驗證

4.1 實驗測試裝置

為進一步驗證本文的泡沫鋁填充齒輪的減振降噪效果，自主研發(fā)了齒輪傳動裝置來進行測試，齒輪傳動裝置如圖4所示，可實現(xiàn)9級變速。根據(jù)需要，分別選擇了225 r/min、500 r/min與1 000 r/min三種轉(zhuǎn)速。

4.2 測量系統(tǒng)及過程

本次測試，利用聲級計提取齒輪傳動裝置的噪聲型號，并經(jīng)由經(jīng)抗混濾波放大器和信號分析儀，將濾波后的噪聲數(shù)據(jù)傳送至計算機DASP噪聲分析軟件中進行分析。噪聲測量系統(tǒng)如圖5所示。

4.3 測量結(jié)果及分析

根據(jù)上述測量系統(tǒng)，待齒輪傳動裝置運行平穩(wěn)后，對三種大齒輪分別在225 r/min、500 r/min與1000 r/min轉(zhuǎn)速情況下的噪聲數(shù)據(jù)進行測量，測量結(jié)果如圖所示6所示。從圖中可以明顯看，在相同的轉(zhuǎn)速下，初始設(shè)計與優(yōu)化后的泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)齒輪相較于原型齒輪，噪聲分貝均明顯下降，優(yōu)化后齒輪的噪聲最大降幅高達11.1%。通過數(shù)據(jù)分析可知，泡沫鋁能有效提高齒輪的降噪性能，尤其優(yōu)化后的填充結(jié)構(gòu)齒輪降噪效果更佳。

5 齒輪的輕質(zhì)性分析

根據(jù)初始與優(yōu)化后的三種齒輪結(jié)構(gòu)，對齒輪的質(zhì)量進行計算，并將質(zhì)量結(jié)果與原型齒輪的質(zhì)量進行對比分析，其對比結(jié)果如表2所示，其中原型齒輪質(zhì)量為69.22 kg。從表2中可以看到，初始設(shè)計的與優(yōu)化后的泡沫鋁填充齒輪相較于原型齒輪，齒輪重量相對減少了10.91%、15.9%，這表明泡沫鋁材質(zhì)能明顯提高齒輪的輕質(zhì)性。

6 結(jié)束語

利用Pro/E內(nèi)部提供的優(yōu)化參數(shù)功能，在采煤機大型齒輪提供的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上優(yōu)化設(shè)計泡沫鋁填充的3D模型，充分考慮了材質(zhì)與構(gòu)型對于減振、輕質(zhì)性能的影響。通過齒輪前5階模態(tài)，泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)齒輪減振降噪效果有著顯著提高，另外還達到了輕質(zhì)效果。本文設(shè)計理念在齒輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化中達到了預期的效果，在機械工程應用上具有一定普遍意義。

參考文獻：

[1] ?任紅軍，張昊，于曉光，等.五平行軸壓縮機齒輪系統(tǒng)非線性動力學特性研究[J].機械工程學報，2017，53（23）：39-45.

[2] ?馬朝永，冀建東，胥永剛，等.基于剛?cè)狁詈夏Ｐ偷男行驱X輪箱動力學仿真分析[J].北京工業(yè)大學學報，2019，45（8）：719-726.

[3] ?彭楠，朱如鵬，鮑和云，等.C型阻尼環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)對錐齒輪傳動動力學特性的影響研究[J].機械傳動，2014，38（8）：1-5，17.

[4] ?陸波，朱才朝，宋朝省，等.大功率船用齒輪箱耦合非線性動態(tài)特性分析及噪聲預估[J].振動與沖擊，2009，28（4）：76-80，204.

[5] ?于英華，魯勇.泡沫鋁阻尼塞在礦山機械重型齒輪中的應用研究[J].兵器材料科學與工程，2014，37（1）：35-38.

[6] ?茹林潺，陳澤中.微齒輪注塑成型填充過程數(shù)值模擬[J].塑料工業(yè)，2015，43（8）：41-44..

[7] ?焦映厚，陳照波，付龍，等.大型立式齒輪箱行星齒輪傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計[J].機械傳動，2012，36（6）：58-64.

[8] ?于英華，余國君，徐平.泡沫鋁齒輪阻尼塞減振降噪性能研究[J].制造技術(shù)與機床，2010（8）：84-86.

[9] ?王輝，范愛琴，薛俊強，等.閉孔泡沫鋁中低頻振動的阻尼性能測試[J].金屬功能材料，2015，22（6）：39-46.

[責任編輯：鄭筆耕]