基于有限元法對單螺桿擠出機減速箱箱體強度分析

李一鳴，叢丹(大連橡膠塑料機械有限公司，遼寧 116300)

基于有限元法對單螺桿擠出機減速箱箱體強度分析

Strength analysis of the reduction box of single screw extruder based on fi nite element method

李一鳴，叢丹(大連橡膠塑料機械有限公司，遼寧 116300)

主要利用有限元法對單螺桿擠出機減速箱箱體進行強度分析，并根據(jù)計算結(jié)果對箱體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，為擠出機減速箱箱體的優(yōu)化設(shè)計提供一種有效方法。

最大拉應力；總變形；bearing load；ANSYS workbench

單螺桿擠出機組是橡塑制品廠的重要設(shè)備，主要用于原料的混煉、塑化及擠出。單螺桿擠出機工作時，機頭壓力很大，一般動載荷在20 MPa左右，有的甚至高達40 MPa，這對傳動裝置—減速箱的推力軸承的設(shè)計與布局提出很高要求，尤其是減速箱箱體上安裝推力軸承部位的強度設(shè)計與計算。在傳統(tǒng)的機械設(shè)計手冊中只給出理論的箱體壁厚和結(jié)構(gòu)，無法進行精確的強度與剛度計算，本文應用有限元法，對減速箱箱體進行強度分析，并根據(jù)計算結(jié)果對箱體的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

本文以φ180機組的單螺桿擠出機減速箱為例，利用有限元法對其箱體進行強度分析。主要技術(shù)參數(shù)是螺桿輸出扭矩63 000 N.m，螺桿轉(zhuǎn)速50 r/min，機頭負載壓力40 MPa。

1 分析條件

箱體材料 QT450-10

彈性模量 E=147 GPa

泊松比 Pi=0.25

2 模型簡化

在I-DEAS V5下完成減速箱造型，輸出為parasolid格式，如圖1所示。

圖1 減速箱三維造型圖

3 網(wǎng)格劃分與邊界條件

在ANSYS workbench中調(diào)入parasolid格式的減速箱模型，劃分的網(wǎng)格如圖2所示。

根據(jù)齒輪參數(shù)計算報告和有關(guān)圖紙，得到各級齒輪徑向力(x)、切向力(y)、軸向力(z)，得到各級受力數(shù)據(jù)及齒輪受力數(shù)據(jù)如表1及表2所示，對4根軸分別進行有限元靜力分析，得到各軸的軸承支反力如表3(第4軸計算時加入了機頭壓力引起的軸向力)，其反力即是軸承座受力，見表4，各軸軸向力是每級兩個z向力的和。

圖2 減速箱網(wǎng)格劃分圖

表1 擠出機減速箱各級受力

表2 擠出機減速箱各齒輪受力

表3 擠出機減速箱各軸承座支反力

表4 擠出機減速箱各軸承座受力

固定減速箱底面，在減速箱各軸承座分別施加表4中的x、y載荷，在序2、4處端蓋接觸面分別施加I軸和II軸軸向力，在序6處軸承座端面施加III軸軸向力，在序8處大止推軸承端面施加IV軸軸向力。邊界條件施加如圖3所示。（由于軟件限制，左側(cè)只能顯示出10個邊界條件，其余的數(shù)值詳見表4）。

圖3 減速箱邊界條件施加

4 求解

定義材料參數(shù)，進入ANSYS中利用常規(guī)求解器進行求解。

5 結(jié)果分析

減速箱的最大主應力如圖4、圖5及圖6所示，最大主應力值為113.99 MPa，出現(xiàn)在圖中Max位置，其他各極大值位置如圖中所標。（圖4為正面，圖5為背面箱蓋圖，圖6為箱底圖）

圖4 減速箱最大主應力圖

減速箱的變形如圖7所示，最大變形出現(xiàn)在圖中Max位置，最大變形值為0.567 1 mm。

6 結(jié)論

圖5 減速箱最大主應力圖（箱蓋剖開）

（1）根據(jù)GB/T1348—2009球墨鑄鐵件QT450-10的力學性能——抗拉強度:σb(MPa)≥450，屈服強度 σ0.2(MPa)≥250，沖擊韌性值 αkv (J/cm2)≥18，硬度 :130～180 HBS。減速箱的最大主應力如上圖4、圖5及圖6所示，最大主應力值為113.99 MPa，出現(xiàn)在圖中Max位置，其它各極大值位置如圖中所標。應力最大處的安全系數(shù)S1=250/113.99=2.2，滿足箱體的強度設(shè)計要求，設(shè)計箱體時對其圓角處理并加強強度；推力軸承座S2=250/99.027=2.5。減速箱的變形如圖7所示，最大變形出現(xiàn)在圖中Max位置，最大變形值為0.567 1 mm。設(shè)計過程中增加箱蓋上軸承座壁厚及最大變形值處增加筋板等結(jié)構(gòu)，通過修改、優(yōu)化，使箱體所受到的最大變形值降低到0.40 mm，減速箱的最大變形符合要求。

圖7 減速箱變形圖（正面）

（2）通過有限元ANSYS分析軟件能夠直接準確的計算減速器箱體的強度和剛度的最大主應力值和最大變形值?？梢远啻涡薷?、優(yōu)化后重新計算，并進行分析比較，得到理想的優(yōu)化數(shù)據(jù)，再對箱體的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，因此有限元法為單螺桿擠出機減速箱箱體的設(shè)計提供了一種有效的計算工具。

（R-03）

TQ320.663

1009-797X(2016)16-0089-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.16.025

李一鳴，男，助理工程師，主要從事傳動裝置的設(shè)計與研發(fā)工作。

2016-03-17