基于SolidWorks的膠管鋼絲編織機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)分析

呂曉東，鐘佩思，吝偉偉，葛 旋，賈明霞

（山東科技大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究中心，山東 青島 266590）

隨著工業(yè)化程度的提高，對膠管質(zhì)量的要求也不斷提高。膠管作為一種良好的液體輸送工具，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、航空航天領(lǐng)域。鋼絲編織膠管是一種由耐液體介質(zhì)的合成橡膠內(nèi)膠層、中膠層、鋼絲編織增強(qiáng)層以及耐天候性能優(yōu)良的合成橡膠外膠層組成的耐壓膠管，主要應(yīng)用于礦井液壓支架、油田開采等對耐壓性能要求較高的環(huán)境中。鋼絲編織作為鋼絲編織膠管生產(chǎn)中的重要工序，直接影響膠管的質(zhì)量。均勻的編織結(jié)構(gòu)可以合理分擔(dān)液體的壓力，提高膠管的耐壓性能。因此，對鋼絲編織機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的研究顯得尤為重要。

本工作基于SolidWorks平臺，建立鋼絲編織機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的三維模型，并通過Simulation進(jìn)行有限元分析，獲取鋼絲編織機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性。

1 鋼絲編織機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

選擇較經(jīng)典的GBG-64型鋼絲編織機(jī)的主傳動(dòng)系統(tǒng)（結(jié)構(gòu)如圖1所示）進(jìn)行分析，該系統(tǒng)采用環(huán)形齒輪和兩級行星齒輪帶動(dòng)撥齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)。主動(dòng)齒輪傳遞至1個(gè)行星齒輪Ⅱ，再由行星齒輪Ⅱ傳遞給環(huán)形齒輪，環(huán)形齒輪外圈與4個(gè)行星齒輪Ⅱ嚙合，內(nèi)圈為凹形，與4個(gè)表面為凸形的托輪配合，環(huán)形齒輪帶動(dòng)其余的3個(gè)行星齒輪Ⅱ轉(zhuǎn)動(dòng)，行星齒輪Ⅱ分別傳遞給相鄰的行星齒輪Ⅰ，從而帶動(dòng)錠子下方的撥齒輪運(yùn)動(dòng)。采用上述齒輪嚙合方式，可提高齒輪傳遞的平穩(wěn)性，減少振動(dòng)[1]。

圖1 主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.2 三維模型的建立

鋼絲編織機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)主要依靠齒輪傳動(dòng)，高質(zhì)量的鋼絲編織是在各個(gè)齒輪精準(zhǔn)嚙合的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。SolidWorks API為用戶提供了強(qiáng)大的二次開發(fā)接口，以VB為開發(fā)工具，開發(fā)出直齒圓柱齒輪參數(shù)化建模程序，利用該程序進(jìn)行齒輪的三維建模，提高了齒輪建模的精準(zhǔn)度和建模效率[2]。鋼絲編織機(jī)的主傳動(dòng)系統(tǒng)三維模型如圖2所示。

圖2 主傳動(dòng)系統(tǒng)三維模型

設(shè)計(jì)中先在SolidWorks中錄制宏，獲取宏操作代碼，將其復(fù)制到VB中的相應(yīng)位置，然后進(jìn)行修改調(diào)試以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，通過程序驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)變量實(shí)現(xiàn)模型的創(chuàng)建和更新[3]。

通過參數(shù)設(shè)置設(shè)計(jì)出的各個(gè)齒輪在裝配時(shí)應(yīng)該采取自下而上的裝配方法[4]。首先插入機(jī)座，然后再安裝齒輪。齒輪配合時(shí)可引入輔助線，便于齒輪位置的固定，配合完畢將其壓縮，防止其干涉后面的運(yùn)動(dòng)分析。齒輪配合時(shí)根據(jù)齒輪的分度圓直徑比填寫傳動(dòng)比例，只有正確的傳動(dòng)比例才能保證齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的正確嚙合。

2 運(yùn)動(dòng)分析

GBG-64型鋼絲編織機(jī)采用Y160L-6電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，通過帶輪與二級變速器相連，最終將動(dòng)力輸送到主動(dòng)齒輪。主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速（n2）為

式中，n1為電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，取970 r·min-1；i1為帶輪傳動(dòng)比，取3∶1；i2為二級減速器傳動(dòng)比，取2∶1。

為保證各齒輪在固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，防止在運(yùn)動(dòng)分析時(shí)齒輪與機(jī)座脫離，影響分析結(jié)果，在每個(gè)齒輪上加裝線性電動(dòng)機(jī)，設(shè)置距離為零。在主動(dòng)齒輪上加裝旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，通過閃光測速儀測出電動(dòng)機(jī)在帶有鋼絲編織機(jī)負(fù)載的情況下的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速變化數(shù)據(jù)，按照傳動(dòng)比縮放，擬合出如圖3所示的主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速曲線，將該數(shù)據(jù)曲線添加到旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)中。

圖3 主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速曲線

由于環(huán)形齒輪尺寸較大，齒輪的厚度相對較小，最容易發(fā)生變形，因此針對環(huán)形齒輪進(jìn)行重點(diǎn)分析。通過SolidWorks平臺提供的動(dòng)力學(xué)計(jì)算插件Motion，計(jì)算環(huán)形齒輪的角速度。結(jié)果顯示，環(huán)形齒輪從啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，速度變化相對均勻，加速度變化平穩(wěn)，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的角速度為626 rad·s-1。

3 有限元分析

3.1 靜力分析

SolidWorks不僅提供Motion插件，還具有強(qiáng)大的有限元分析能力，可利用Simulation進(jìn)行環(huán)形齒輪的有限元分析，分析其變形和應(yīng)變情況，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。與傳統(tǒng)的有限元方法相比，SolidWorks Simulation更加簡單明了，通過各種夾具對模型進(jìn)行約束，然后施加載荷，最后劃分網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

環(huán)形齒輪內(nèi)側(cè)通過4個(gè)托輪支撐，在添加夾具的時(shí)候選擇固定夾具，將環(huán)形齒輪的內(nèi)表面固定，在外圈與行星齒輪Ⅰ作用的齒輪面上施加一個(gè)與齒輪面垂直的100 N的力，對整個(gè)環(huán)形齒輪施加沿著中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的626 rad·s-1的轉(zhuǎn)速。有限元網(wǎng)格劃分時(shí)將網(wǎng)格密度調(diào)高，SolidWorks Simulation會(huì)根據(jù)計(jì)算部位的復(fù)雜程度自動(dòng)調(diào)節(jié)局部網(wǎng)格的密度。以該環(huán)形齒輪為例，齒輪部分的網(wǎng)格密度相對較高，最后進(jìn)行計(jì)算。

環(huán)形齒輪位移和應(yīng)力分布如圖4所示。由圖4（a）可知，最大變形部位在環(huán)形齒輪的最外圈，最大變形量為4.951×10-2mm，變形比為2 548.27，變形相對較小，能達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)需求。由圖4（b）可知，應(yīng)力最大為200.664 kN·m-2，發(fā)生在環(huán)形齒輪內(nèi)側(cè)。通過增加托輪的數(shù)量使應(yīng)力分布更加均勻，可以解決內(nèi)側(cè)應(yīng)力集中的問題。

圖4 環(huán)形齒輪位移和應(yīng)力分布

3.2 疲勞強(qiáng)度分析

SolidWorks Simulation采用材料的S-N（應(yīng)力-壽命）曲線，結(jié)合多種因素，通過插值得出零件的S-N曲線，并根據(jù)Miner線性損傷累計(jì)規(guī)則，計(jì)算出零件的疲勞壽命。

由于作用于鋼絲編織機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的各零件的應(yīng)力水平較高，屬于低循環(huán)疲勞，因此，將循環(huán)周期設(shè)為100次，關(guān)聯(lián)靜態(tài)算例，比例為1，負(fù)載類型為完全反轉(zhuǎn)（LR=-1），恒定振幅時(shí)間交互作用設(shè)為隨意交互作用，計(jì)算交替應(yīng)力的手段為等應(yīng)力，平均應(yīng)力糾正為Soderberg[5]。

通過求解得到的環(huán)形齒輪壽命如圖5所示。分析可知，環(huán)形齒輪在100次循環(huán)承載后的最大生命周期為1.4×108次，最小生命周期為1.934×105次，發(fā)生于環(huán)形齒輪內(nèi)圈與托輪相配合的凹槽壁上。損壞比例恒小于1，可滿足生產(chǎn)要求。

圖5 環(huán)形齒輪壽命云圖

4 結(jié)語

利用SolidWorks平臺進(jìn)行鋼絲編織機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的分析，可實(shí)現(xiàn)從建模到運(yùn)動(dòng)分析、靜力分析和疲勞強(qiáng)度分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程。SolidWorks Simulation和SolidWorks Motion軟件與SolidWorks軟件完全整合，當(dāng)模型改變時(shí)分析數(shù)據(jù)庫也相應(yīng)更新，分析結(jié)果直接顯示在模型上[6]。分析過程簡明直觀。通過SolidWorks軟件對鋼絲編織機(jī)的主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，可以設(shè)計(jì)出更高質(zhì)量的膠管鋼絲編織機(jī)，并且節(jié)約研發(fā)成本，縮短設(shè)計(jì)周期。