減速器功率提升的數字仿真

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      毛謙德教授，北京理工大學機械與車輛工程學院，100081；劉耀乙教授，北京理工大學科學技術學院，100081.早先在設計傳動裝置時，必須在方案設計和確定尺寸時考慮大量的運行參數，允許功率幾何邊界和位置關系、速比數據等許多參數均有待確定。在確定減速器軸的尺寸時，所傳遞的轉矩、出現的彎曲應力和橫向力，相應地考慮危險區域的應力集中，都對計算起著決定性的作用。對于滾動軸承計算，確定尺寸時應計入應用中要求的壽命預定值和空間限制。

　　如今對傳動技術部件，例如齒輪減速器，要求重量輕、減速器結構牢固、功率密度高、減速器元件壽命長。從減速器的單件生產到大量的減速器系列，要求在規劃階段即對單個系統元件進行精確的評價，這些元件在不同的安裝條件和運行條件下必須無故障地工作。在開發階段，這種類型的復雜系統愈來愈多地利用數字仿真的方法進行研究。

　　為了識別靜態的、特別是動態的極限運行關系，在機械傳動技術中建立了仿真模型，它們在建模中力求盡可能接近地描繪出實際系統。每一個實際的傳動系統的計算模型僅僅表示一個抽象的概念。除了求得齒輪嚙合中的變形關系和位移外，特別為分析動態性能建立了計算模型，其中規定了下列重點：一一通過動態仿真在新開發或優化時節省費用和時間。

　　一一澄清提出的問題（共振、軸或箱體斷裂、噪音等）。

　　一一確定與預定極限指標（如能量消耗剛度極限轉速結構空間、噪音輻射等）有關的最佳參數。

　　為了適應日益增長的市場需求，近年來在SKF進行了大量的軟件開發工作，其中特別注意開發既用于滾動軸承開發，又用于系統描述的模型軟件和仿真軟件。由SKF開發的用于復雜系統建模和仿真的軟件包之一就是Orpheus程序，這是一套最全面地逼近實際運行條件的建模和仿真程序。

　　利用這個軟件包，可以實現分析整個部件或機器（如包括齒輪、軸箱體和滾動軸承的減速器）的靜態和動態性能的計劃任務。

　　為了能夠將SKF工程師們的專業知識和技術能力提供給所有的用戶，建立了一個在“SKF工程咨詢服務”名義下為SKF用戶圈提供計算技術服務的業務部門。服務的重點是工程應用的分析建模和靜、動態性能仿真。優先的應用范圍是圓柱齒輪減速器或行星減速器、壓縮機、泵、電機或整個傳動回路，它們在問題歸納時，在缺陷分析變形特性或噪音及振動性能方面，或者為了優化系統，能夠非常精確地進行研究。

　　218K減速器方案樣機以為參加2003年漢諾威工業博覽會被SKF公司的不同部門優化了的18K減速器方案樣機為例（），說明其設計過程。

　　18K減速器方案樣機是在一個280直齒減速器的基礎上，經過相應的詳細建模和分析建造的，并且在相同的速比和功率數據下，將中心距減小到250mm.為了使所有的部件和新的功率密度相匹配，并且達到要求的超過5000h的系統壽命，有必要對減速器的單個零部件重新進行計算。除了新的、較高承載能力的SKF軸承，即承載數平均提高15%的柔度特性、變形特性及構件負荷的數字仿真，對減速器進行分析。

　　在建模中，考慮了減速器箱體的所有零件、軸>參與工作的軸承及單個齒輪嚙合。建模中的難點是滾動軸承的詳細描繪、考慮軸承中的預緊力、軸承間隙、溫差等運行參數以及出現的偏斜情況。制造偏差（例如裝配或定向誤差，軸承配合的不圓度）雖然原則上是可以建模的，但是在研究中沒有考慮進去。

　　由原始的箱體設計可以非?？斓亟⑾潴w的三維模型（）。該模型輸入到商業性有限元軟件“ANSYS*程序，插入單個節點（滾動軸承外壞端蓋）描述，并且連成箱體網格（）。

　　網格結構一般數據很多，往往由于處理時間太長，而不適用于實際分析。因此，為了進一步處理箱體結構，采用了一種稱為CMS（組元模態合成法）的靈巧的壓縮技術，由此明顯地降低了自由度的數目l2J.在這種方法中，構件的變形場通過相應的形狀函數描述，選擇形狀函數時應使它們滿足邊界條件。

　　利用這種方法，可以算出變形，并且自然地求得在寬頻率范圍中的振動模態。作為用于進行進一步計算的基本結構，表示了了包括所有組成部分的減速除了計算核心外，Orpheus程序還提供了有目的的動畫和形象化的可能。結構的變形性能或應用的動態性能可以按照這種方式進行圖形處理（和），或者作為錄像演示觀看。用于不同結構或方案之間的比較觀察數據可以對照列出，并且進行評價?？赡艿膬灮胧?，及其對與箱體結構、軸承選擇和軸承排列等因素有關的剛度變化的影響，能夠在計算機中虛擬地進行建模。

　　3總結在18K項目范圍內，為了評價和優化18K減速器方案樣機，獲得了下列數據：單個滾動軸承內的所有接觸應力分布。

　　一一軸承內外座圈之間出現的傾斜。

　　一一按照ISO281131計算出的單個滾動軸承的修正名義軸承壽命。

　　識別振動特性和減速器可能的主特征噪音源的研究，不是優化措施的對象。

　　減速器方案樣機18K的功率與如今工業中通常使用的大型280減速器相當，然而與基本模型相比，重量減輕了15%~2（%，尺寸減小了1現~20%，能耗減少了10%~13%.與SKF程序Orpheus相連的有限兀方法的大量應用，使得對整個減速器系統的所有傳動部件的靜動態性能進行詳細的分析成為可能。

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