AGV升降齒輪齒條疲勞強(qiáng)度分析

文/楊建輝

AGV是Automated Guided Vehicle的縮寫(xiě)，即“自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車”。近年來(lái)，隨著人力成本的不斷上升以及物流自動(dòng)化的不斷升級(jí)，AGV的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。齒輪齒條主要優(yōu)點(diǎn)為傳遞功率大（可達(dá)105KW）、傳遞效率高、工作平穩(wěn)、可靠性高等，適用于重負(fù)載長(zhǎng)距離的傳動(dòng)，因而齒輪齒條在重載AGV的升降系統(tǒng)中應(yīng)用較多。齒輪齒條承載著AGV的全部載荷，如果齒輪齒條因強(qiáng)度不夠?qū)е率⒁餉GV的安全問(wèn)題，因而有必要對(duì)齒輪齒條的強(qiáng)度進(jìn)行分析。本文以舉升載荷3000kg的潛伏頂升AGV為例，對(duì)升降齒輪齒條進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度分析，為升降齒輪齒條的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

一、重載AGV升降齒輪齒條結(jié)構(gòu)

重載AGV采用兩套升降齒輪齒條結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)舉升搬運(yùn)負(fù)載，齒輪齒條結(jié)構(gòu)主要由舉升平板（1）齒輪、（2）齒條、（3）齒條襯套、（4）隨動(dòng)軸承、（5）安裝座、（6）兩個(gè)導(dǎo)向套、（7）兩根導(dǎo)軸、（8）等組成；工作時(shí)，由電機(jī)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)齒輪、（2）轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪（2）和齒條（3）的嚙合以及導(dǎo)向套（7）和導(dǎo)軸（8）的導(dǎo)向，使齒條（3）上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)舉升平板（1）的上下運(yùn)動(dòng)。升降齒輪齒條主要結(jié)構(gòu)如圖1。

二、重載AGV升降齒輪齒條的強(qiáng)度分析

1.三維有限元模型及邊界條件設(shè)置

根據(jù)重載AGV升降齒輪齒條的基本參數(shù)（見(jiàn)表1），采用solid works軟件分別建立齒輪、齒條的三維模型，并根據(jù)齒輪齒條的參數(shù)進(jìn)行裝配。將齒輪齒條裝配模型導(dǎo)入AnsysWorkbench中進(jìn)行有限元分析。齒輪材料選用20CrMnTi，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為850MPa（經(jīng)滲碳后淬火）。齒條材料選用40Cr，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為500MPa（調(diào)質(zhì)處理）。

為模擬實(shí)際工況，真實(shí)反映齒輪齒條受力狀況，在齒輪中心設(shè)置遠(yuǎn)程點(diǎn)，并定義遠(yuǎn)程點(diǎn)為固定（六個(gè)方向的自由度均為零），在齒條側(cè)面設(shè)置無(wú)摩擦約束，確保齒條只能上下運(yùn)動(dòng)，設(shè)置齒輪與齒條接觸為面-面接觸，齒輪的接觸面為主面，齒條的接觸面為從面，接觸的摩擦系數(shù)為0.15；同時(shí)在齒條頂部加載1500Kg（3000Kg的負(fù)載平均壓在兩根齒條上）的負(fù)載。對(duì)齒輪齒條接觸面網(wǎng)格大小設(shè)置為0.1mm，齒輪齒條有限元網(wǎng)格劃分如圖2。

圖1：齒輪齒條安裝結(jié)構(gòu)示意圖

2.齒輪齒條強(qiáng)度分析

對(duì)齒輪齒條進(jìn)行邊界條件設(shè)置及網(wǎng)格劃分，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行加載，齒輪齒條有限元分析結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。

從圖3齒輪齒條應(yīng)力云圖可知，最大應(yīng)力發(fā)生齒條上約為128.6MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度500MPa。從圖4應(yīng)變?cè)茍D可知最大應(yīng)變?yōu)?.00086m/m。從圖5可知齒條的最小安全系數(shù)為3.89。

三、重載AGV升降齒輪齒條的疲勞分析

1.齒輪齒條疲勞載荷

疲勞就是材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下，在一處或幾處產(chǎn)生永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過(guò)程。疲勞壽命的定義為發(fā)生疲勞破壞時(shí)的載荷循環(huán)次數(shù)。根據(jù)齒輪齒條的靜強(qiáng)度分析結(jié)果，在后處理器中加載循環(huán)交變應(yīng)力載荷，載荷曲線如圖6。

圖2：齒輪齒條有限元網(wǎng)格

圖3：齒輪齒條應(yīng)力云圖

圖4：齒輪齒條應(yīng)變?cè)茍D

圖5：齒輪齒條安全系數(shù)

圖6：循環(huán)交變應(yīng)力載荷曲線

2.疲勞結(jié)果分析

對(duì)齒輪齒條加載循環(huán)交變應(yīng)力載荷，進(jìn)行疲勞分析，結(jié)果如圖7。

圖7：齒輪齒條疲勞壽命

從圖7可知，齒條比齒輪先損壞，齒條的最小疲勞壽命為57213次。

為了研究不同載荷情況下，齒輪齒條的疲勞壽命關(guān)系，對(duì)齒輪齒條進(jìn)行疲勞敏感性分析，結(jié)果如圖8。

圖8：齒輪齒條疲勞敏感性分析

從圖8可知，當(dāng)齒條加載1500Kg的情況下，齒條的最小疲勞壽命為57273次。當(dāng)齒條加載一半的載荷750Kg時(shí)，齒條的最小疲勞壽命為1000000次。當(dāng)齒條加載兩倍的載荷3000Kg時(shí)，齒條的最小疲勞壽命約為5318次。在0.5～2倍的1500Kg載荷之間，可以通過(guò)齒輪齒條疲勞敏感性分析曲線來(lái)確認(rèn)疲勞壽命。

表1：齒輪與齒條的基本參數(shù)

四、結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)重型AGV的舉升結(jié)構(gòu)，建立了升降系統(tǒng)齒輪齒條三維模型，并模擬實(shí)際工況加載，對(duì)齒輪齒條進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度分析，得到最大應(yīng)力發(fā)生齒條上約為128.6MPa。齒條比齒輪先損壞，齒條的疲勞壽命為57273次。同時(shí)，通過(guò)齒輪齒條疲勞敏感性分析，預(yù)測(cè)了在0.5～2倍的1500Kg載荷之間，齒輪齒條的疲勞壽命。