閆曉青,鄭衛(wèi)力,張銀婷,黃曉歡
(長江三峽通航管理局,湖北 宜昌 443002)
三峽升船機(jī)是目前世界上提升質(zhì)量最大的全平衡垂直升船機(jī),驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條爬升式,齒輪齒條為重要受力構(gòu)件。驅(qū)動機(jī)構(gòu)最大事故載荷8 800 kN。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》,當(dāng)齒輪齒條載荷較大時,應(yīng)對齒輪和齒條材料、硬度和熱處理工藝進(jìn)行專項研究?,F(xiàn)行方法是通過解析解與有限元法計算相結(jié)合進(jìn)行校核,再通過模型試驗對齒輪齒條接觸應(yīng)力進(jìn)行論證以確定合理制造工藝。在齒輪齒條制造過程中難免存在夾雜物及其他缺陷,但設(shè)計過程并未考慮缺陷工況,很多文獻(xiàn)研究成果表明,受力構(gòu)件的損傷和失效的演化都是從夾雜物與金屬基體的交界部位開始[1]。因此,本文采用Ansys Workbench建立了含有夾雜物及蝕坑的齒輪齒條接觸三維有限元模型,計算各工況下齒條接觸應(yīng)力及剪應(yīng)力,并分析了不同缺陷工況下齒條力學(xué)性能,對齒條內(nèi)夾雜物含量控制、齒輪齒條運行維保提供了科學(xué)的理論依據(jù)。
三峽升船機(jī)齒輪齒條是驅(qū)動機(jī)構(gòu)的承載元件,正常工作狀態(tài)下,驅(qū)動機(jī)構(gòu)小齒輪與齒條保持嚙合,驅(qū)動機(jī)構(gòu)載荷通過齒條傳遞給混凝土結(jié)構(gòu)。小齒輪軸兩側(cè)的軸段支承在支承與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的軸承座內(nèi),齒輪齒條結(jié)構(gòu)如圖1所示,齒輪齒條主要技術(shù)參數(shù)見表1。
表1 齒輪齒條主要技術(shù)參數(shù)
圖1 齒輪齒條嚙合示意(單位:mm)
根據(jù)齒條中夾雜物尺寸、形狀、分布特點,為了在有限元軟件中模擬夾雜物對齒條應(yīng)力的影響,基于文獻(xiàn)[2-3]對齒條內(nèi)夾雜物及缺陷描述“夾雜物存在于齒條部分單元中,且夾雜物彈性模量為鋼材的0.30~0.75倍,泊松比為0.178~0.306”,因此,本文做如下假設(shè):1)齒條內(nèi)夾雜物沿齒輪齒條嚙合作用線分布,夾雜物設(shè)置見圖2。2)由于夾雜物存在,且夾雜物與鋼基體彈性模量、泊松比不同,通過改變夾雜物的材料常數(shù)來模擬夾雜物對齒條接觸應(yīng)力及剪應(yīng)力的影響。3)對存在夾雜物單元進(jìn)行更為細(xì)小剖分,剖分越接近夾雜物真實尺寸,計算結(jié)果越真實有效。夾雜物的尺寸為0.5 mm×0.5 mm×1 mm的立方體。為了在有限元軟件中便于施加齒輪的彎矩,齒輪中心設(shè)置直徑100 mm的圓孔,本文主要研究齒條的應(yīng)力,齒輪中心開孔對計算結(jié)果影響較小可忽略[4-7]。齒輪齒條嚙合為線接觸,并且隨時間推移接觸線呈規(guī)律變化,為了精確模擬齒輪齒條的相對運動及運動過程產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變,對兩者進(jìn)行動態(tài)接觸模擬分析,采用Ansys Workbench中的瞬態(tài)分析功能,齒輪齒條三維有限元模型見圖3。
圖2 齒條內(nèi)夾雜物分布(單位:mm)
圖3 齒輪齒條嚙合有限元模型
齒條設(shè)計過程在確定加工及熱處理工藝時,未考慮缺陷的工況,為設(shè)計的理想工況。根據(jù)三峽升船機(jī)設(shè)計文件,升船機(jī)正常運行驅(qū)動機(jī)構(gòu)最大工作載荷為1 100 kN,小齒輪等效載荷為932 kN。將升船機(jī)在超載工作狀態(tài)下的小齒輪載荷分為4個工況,工況1:驅(qū)動機(jī)構(gòu)載荷超過1 560 kN時,監(jiān)測和控制系統(tǒng)發(fā)出報警,小齒輪等效載荷為1 322 kN;工況2:驅(qū)動機(jī)構(gòu)載荷超過1 580 kN時,主拖動系統(tǒng)開始電氣制動,至船廂停止升降后,工作制動器和安全制動器先后上閘,小齒輪等效載荷為1 339 kN;工況3:驅(qū)動機(jī)構(gòu)載荷達(dá)到1 650 kN時,液氣彈簧開始動作,小齒輪等效載荷為1 398 kN;工況4:當(dāng)安全機(jī)構(gòu)螺紋間隙消失時,驅(qū)動機(jī)構(gòu)最大事故荷載2 200 kN,此時小齒輪等效載荷為1 864 kN。
2.1.1理論計算
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》[8],齒輪齒條接觸應(yīng)力為:
(1)
其中螺旋線載荷分布系數(shù)KHβ為:
(2)
通過計算得到4種工況下齒輪齒條的接觸應(yīng)力為651.1、655.3、669.6、773.2 MPa。升船機(jī)正常運行最大載荷狀態(tài)下,齒輪齒條接觸應(yīng)力為545.7 MPa。
2.1.2有限元分析計算
齒輪和齒條嚙合是復(fù)雜的接觸問題,且理論計算結(jié)果與與齒輪齒條運行的接觸應(yīng)力存在一定誤差,因此對上述4種工況進(jìn)行復(fù)核。齒輪材料為18CrNiMo7-6 ME,熱處理后踏面硬度為56~61HRC,齒條材料為G35CrNiMo6-6+QT1,熱處理后踏面硬度≥520 HV。將4種工況下小齒輪受力轉(zhuǎn)換成扭矩為1 122.7、1 137.1、1 187.5、1 583.3 kN·m。
Ansys Workbench在做接觸分析的非線性問題時,若選取整個模型分析,需要較多的單元、節(jié)點和內(nèi)存空間,同時花費大量的求解時間,計算精度也會受到影響。為方便分析,僅建立模型的12進(jìn)行計算,沿齒輪齒條中心對稱XY平面簡化模型,設(shè)置邊界條件時,在對稱面上添加“symmetric”約束[9-11]。齒輪齒條基體取彈性模量E=206 GPa,泊松比ν=0.3,齒輪與齒條的面的嚙合接觸設(shè)置為有摩擦約束,摩擦系數(shù)為0.3。瞬態(tài)分析時給齒輪內(nèi)孔設(shè)置扭矩。計算結(jié)果見表2和圖4、5。
表2 不同工況下齒條最大接觸應(yīng)力計算結(jié)果
圖4 不同算法對齒條最大接觸應(yīng)力影響
圖5 不同工況下齒條接觸應(yīng)力云圖
由表2、圖4、5可知:1)4種不同載荷工況下齒輪齒條嚙合最大接觸應(yīng)力均發(fā)生在嚙合表面。2)查看圖5中工況4齒條最大應(yīng)力為852.9 MPa,位置并未在嚙合處,而是出現(xiàn)在了齒條齒頂內(nèi)部的單元耦合部位,查看計算結(jié)果判定為應(yīng)力集中點。忽略應(yīng)力集中點,齒條的最大應(yīng)力為嚙合表面的758.1 MPa。3)不同工況下隨著載荷增大,接觸應(yīng)力呈非線性增大趨勢。4)有限元計算結(jié)果與理論計算的偏差均小于5%,在合理偏差范圍之內(nèi)。
2.2.1不同載荷工況下
含夾雜物齒條分析計算時,夾雜物取彈性模量E=300 GPa,泊松比ν=0.2,齒輪與齒條的嚙合面、齒頂部缺陷與齒輪面的接觸設(shè)置為“有摩擦約束”,摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3;其余夾雜物與齒條的接觸設(shè)置為“固定約束”。夾雜物位置網(wǎng)格劃分見圖6,計算結(jié)果見表3、圖7。
圖6 齒條夾雜物位置網(wǎng)格劃分
表3 含夾雜物不同工況下齒條最大接觸應(yīng)力
圖7 含夾雜物不同工況下齒條接觸應(yīng)力云圖
由表3、圖7可知:1)齒條含有夾雜物時,嚙合作用線位置夾雜物出現(xiàn)較大的應(yīng)力。2)齒條在設(shè)計理想工況和含夾雜物工況下,隨著荷載增加,齒輪齒條接觸應(yīng)力均呈非線性增大,在最大事故工況荷載作用下接觸應(yīng)力增幅劇烈,因此,在重載工況下齒條內(nèi)夾雜物對齒條影響較大。3)在事故工況下,齒條雖不會被破壞,但可能出現(xiàn)不可恢復(fù)的形變,齒輪齒條長期運行,在交變應(yīng)力作用下會發(fā)生膠合和齒面接觸疲勞,出現(xiàn)安全事故。
2.2.2不同彈性模量工況
齒輪齒條基體彈性模量取E1=206 GPa,用遠(yuǎn)小于齒條基體彈性模量E2=1 GPa模擬齒條中氣孔,對齒條中夾雜物彈性模量再分別取E2=150、206、300、412、620 GPa進(jìn)行模擬,在最大事故工況4,計算1 864 kN等效荷載作用下齒條的最大接觸應(yīng)力及最大剪應(yīng)力,結(jié)果見表4、圖8。
表4 不同彈性模量夾雜物下齒條的最大接觸應(yīng)力和最大剪應(yīng)力
圖8 不同彈性模量夾雜物對齒條應(yīng)力影響
由圖8、表4可知:1)當(dāng)彈性模量E2>E1、E2=E1、E2 2.2.3不同泊松比工況 對齒條內(nèi)夾雜物泊松比分別取ν2=0.04、0.06、0.09、0.20、0.30,齒條基體泊松比取ν1=0.3,同樣在最大事故工況4,計算1 864 kN等效荷載作用下的齒輪齒條的最大接觸應(yīng)力及最大剪應(yīng)力,結(jié)果見表5、圖9。 表5 不同泊松比夾雜物齒條的最大接觸應(yīng)力和最大剪應(yīng)力 圖9 不同泊松比夾雜物對齒條應(yīng)力影響 由圖9、表5可知:1)當(dāng)泊松比ν2<ν1時,齒條的最大接觸應(yīng)力與最大剪應(yīng)力隨著泊松比的增大而減小,成反比例關(guān)系,最大接觸應(yīng)力與最大剪應(yīng)力均發(fā)生在夾雜物齒條基體交界位置附近。2)當(dāng)泊松比ν2=ν1(即不含夾雜物)時,齒條最大接觸應(yīng)力與最大剪應(yīng)力發(fā)生在b1點,即齒輪齒條嚙合作用線上。3)有夾雜物區(qū)域齒條最大接觸應(yīng)力和最大剪應(yīng)力均大于ν2=ν1時的最大接觸應(yīng)力與最大剪應(yīng)力,而不在嚙合作用線上的c1、c2、c3點夾雜物的應(yīng)力相對較小,表明齒輪齒條嚙合作用線上的夾雜物對齒條應(yīng)力影響較大,而非嚙合線的夾雜物對齒條應(yīng)力影響較小。 在設(shè)計的理想工況模型的基礎(chǔ)上,建立蝕坑的缺陷模型,缺陷為0.5 mm×0.5 mm×1 mm的立方體,沿嚙合方向和齒厚方向的分布,與夾雜物分布相同。模型分析時,齒輪與齒條的嚙合面的接觸設(shè)置為“有摩擦約束”,摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3。計算結(jié)果見表6和圖11、12。 表6 齒面蝕坑不同工況下齒條的最大接觸應(yīng)力 圖10 齒面蝕坑不同工況下齒條接觸應(yīng)力云圖 圖11 齒面蝕坑對齒條最大接觸應(yīng)力的影響 由表6和圖10、11可知:1)齒條表面有蝕坑時,嚙合作用線位置蝕坑出現(xiàn)較大的應(yīng)力。2)齒面有蝕坑工況下,隨著荷載增加,齒條接觸應(yīng)力均呈非線性增大,在最大事故工況荷載作用下接觸應(yīng)力增幅劇烈,因此,在重載工況下齒條蝕坑對齒條應(yīng)力影響較大。3)在齒條表面有蝕坑時,比設(shè)計理想工況時應(yīng)力增大22.8%、23.3%、22.4%和27.7%,與齒條含有夾雜物相比,在重載條件下,夾雜物比蝕坑更容易引起齒條的應(yīng)力集中。 1)采用Ansys Workbench有限元分析軟件模擬計算了齒條在含夾雜物、蝕坑等缺陷應(yīng)力場分布情況,在齒條內(nèi)缺陷數(shù)量和分布特點未知情況下,假設(shè)一種夾雜物及蝕坑的數(shù)目及分布策略,可有效分析缺陷對齒條受力的影響,夾雜物和蝕坑使得齒輪齒條嚙合過程最大接觸應(yīng)力及最大剪應(yīng)力位置發(fā)生變化。 2)該方法對齒條熱處理過程控制齒面及齒頂淬硬層達(dá)到硬化深度、減少夾雜物對齒條的影響及齒輪齒條維護(hù)保養(yǎng)等提供理論依據(jù)。2.3 嚙合表面有蝕坑
3 結(jié)論