基于Abaqus城轨列车用齿轮传动系统箱体强度分(2)
3 齿轮传动系统的有限元强度分析
3.1 齿轮传动系统模型的处理
为提高有限元计算的效率,需要在不影响计算结果的前提下对齿轮箱模型进行处理。处理方法主要分为3 个方面:①去掉除箱体外各零部件表面不影响分析的孔、凸台和凹槽;②将轴承由复杂的结构件简化为一个仅具外轮廓的实体;③去掉受力较小,不影响分析的零部件。处理后的齿轮传动系统如图2所示。
图2 处理后的齿轮传动系统Fig.2 Treated gear drive system
3.2 Abaqus对齿轮传动系统的处理
导入SolidWorks 修改的三维模型后,Abaqus 对箱体的处理包括定义材料属性、网格划分、创建分析步、定义相互作用和约束、定义载荷[7]。
3.2.1 材料属性
齿轮箱箱体选用材料为EN-GJS-400-18-LT,材料屈服强度为240 MPa,弹性模量为169 GPa,泊松比为0.275,密度为7 100 kg/m3[8]。TJ/JW 065—2015 文献中该材料的齿轮箱体应力允许范围如图3所示。
图3 EN-GJS-400-18-LT材料齿轮箱体应力允许范围Fig.3 EN-GJS-400-18-LT material gearbox stress allowable range
3.2.2 网格划分
为保证准确性,提高计算效率,对箱体的关键位置进行截面分割、实体分割、虚拟拓扑等处理后,对齿轮传动系统进行网格划分并通过加载调整,最终得到331 101 个单元,518 416 个节点,如图4所示。
3.2.3 相互作用与载荷的施加
齿轮传动系统内,绝大多数零部件之间参考实际运行状态与箱体或旋转轴的接触面施加绑定约束,被简化为单一实体的轴承与相关旋转零件施加绑定约束,与固定零件的接触面施加默认接触,主、从动齿轮仅选择处于啮合状态的一对接触面施加默认接触[9]。
图4 网格划分Fig.4 Meshing
由于齿轮箱的悬挂方式为轴悬承载式,且启动工况和短路工况下转速为0,需要对齿轮箱体施加两个边界条件:①对两个输出轴承座吊杆安装面施加固定约束;②对车轴的轮对安装圆周面施加固定约束[10]。依照第2节中设计的工况,对齿轮传动系统施加载荷。
3.3 计算结果
3.3.1 常用工况计算结果
由计算得到不同组合的常用工况下箱体等效应力最大值如表5所示。常用工况下,箱体产生最大等效应力的工况为工况7(反转),最大等效应力值为30.6 MPa,其等效应力云图如图5所示。
表5 常用工况下箱体等效应力最大值Tab.5 Maximum equivalent stress of the box under common working conditions MPa?
图5 常用工况7(反转)箱体等效应力云图Fig.5 Equivalent stress cloud diagram of the box under common operating condition 7(reverse rotation)
由图5所示可得,应力集中点位于输入轴电机侧轴承套杯安装面与输入、输出轴套杯安装座间上数第二根加强筋相交处,由计算加载和计算结果可判断,输入转矩决定了应力集中点产生于输入轴系附近,振动加速度的方向决定了应力集中点在输入轴系上的具体位置。
3.3.2 超常工况计算结果
由计算得到不同组合的超常工况下箱体等效应力最大值如表6 所示。超常工况下,箱体产生最大等效应力为工况2(正转),最大等效应力值为222.1 MPa,其箱体等效应力云图如图6 所示,其应力集中点的位置和输入转矩与振动加速度对应力的贡献情况与常用工况类似。
表6 超常工况下箱体等效应力最大值Tab.6 Maximum equivalent stress of the box under abnormal working conditions MPa?
图6 超常工况2(正转)箱体等效应力云图Fig.6 Equivalent stress cloud diagram of the box under abnormal working condition 2(forward rotation)
4 分析结果评价
4.1 常用载荷强度校核
根据TJ/JW 065—2015 要求,校核过程分为以下几个步骤:①导出16 个常用工况下箱体所有节点的最大应力σmax、最小应力σmin和平均应力σm到Excel文件;②将材料应力允许范围看作一个多边形,并获取材料应力允许范围多边形顶点坐标;③将每个节点所组成的两个坐标点(σmax,σm)及(σmin,σm)绘制在材料应力允许范围图上,判断所有点是否均落在范围内。
齿轮箱体材料EN-GJS-400-18-LT 的材料应力允许范围以及数据处理结果在坐标轴上反映的结果如图7所示。
图7 常用载荷校核图Fig.7 Common load check chart
由图7所示可以看出,所有节点组成的坐标点均分布于材料应力允许范围内部,即齿轮箱满足常用载荷下的使用要求。
4.2 超常载荷强度校核
文章来源:《机械强度》 网址: http://www.jxqdzzs.cn/qikandaodu/2021/0213/448.html
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