基于交流變頻電動頂驅系統(tǒng)下齒輪箱體的結構優(yōu)化分析

杜萍

摘 要：本文主要對齒輪箱體結構優(yōu)化相關內(nèi)容進行分析，著重探究交流變頻電動頂驅系統(tǒng)下齒輪箱體結構優(yōu)化。齒輪箱體結構優(yōu)化，有利于保證齒輪箱體結構剛度的安全設計，保證齒輪箱體的最優(yōu)結構，從而保證最佳的設計方案。通過對齒輪箱體結構優(yōu)化相關內(nèi)容分析，以期為相關工作人員提供有效參考和借鑒。

關鍵詞：交流電頻;電動頂驅系統(tǒng);下齒輪箱體;結構優(yōu)化

中圖分類號：TE951 文獻標識碼：A

現(xiàn)階段，隨著技術發(fā)展，頂驅技術應用的范圍也在不斷拓展。在交流變頻電動頂驅系統(tǒng)中，齒輪箱是重要部件，其能夠對所有鉆具的法向荷載以及重力有效承受，同時借助銷軸，連接提環(huán)。因此，對齒輪箱體結構優(yōu)化有重要的作用和價值，能夠促進其相關工藝水平優(yōu)化，促進相應的生產(chǎn)工作。

1 建立下齒輪箱參數(shù)化模型

（1）借助相關參數(shù)化語言，建立下齒輪箱體全參數(shù)化幾何模型，借助模型參數(shù)分析得到幾何設計模型不同方面的數(shù)據(jù)。對網(wǎng)格參數(shù)進行相應的調(diào)整以及設定，形成結構化有限元網(wǎng)模型。（2）網(wǎng)格模型建立后，選擇材料。選擇材料時，需要計算下齒輪箱體強度，同時要注意考慮材料不同方面的數(shù)值，進行相應的對比。（3）對邊界、荷載條件有效明確。結合交流變頻電動頂驅系統(tǒng)中實際的約束情況以及實際受力情況，借助相關語言定義，對下齒輪箱體施加的約束和荷載有效明確。同時，還要對沖擊情況以及重載情況有效考慮，并以相關標準為基礎，明確相應的有限元計算模型[1-2]。

以某結構設計為例，該設計中主要的備選材料包括42CrMo、35CrMo、20CrMo，其中42CrMo的彈性模量為212Gpa，泊松比為0.280，屈服極限為930Mpa;35CrMo的彈性模量為213Gpa，泊松比為0.286，屈服極限為835Mpa;20CrMo的彈性模量為210Gpa，泊松比為0.278，屈服極限為685Mpa。對比可知，三種材料有較為接近的泊松比以及彈性模量。在選擇材料時，對材料的彈性模量值設為212Gpa，0.280為泊松比，隨后明確應力值，比較屈服極限，為選擇材料提供有效的參考和借鑒。APDL全參數(shù)化建立的幾何模型如圖1所示。

2 校核下齒輪箱剛度和強度

為了對下齒輪箱的剛度以及強度特性明確，可以將下齒輪箱結構示意圖放置于平面和柱面內(nèi)，平面為水平接觸面，主要承載主軸，柱面為周向接觸面，主要對法蘭周面以及承周面承載。在極限荷載條件下，其變形程度與齒輪箱軸系的可靠性、安全性之間有著密切的關系，因此，需要保證強度的基礎上，對極限荷載下的變形程度有效分析，從而明確結構剛度。借助相關的設計要求以及標準，對沖擊工況荷載的影響進行充分考慮，并借助相應的計算明確箱體銷軸最大應力參數(shù)[3]。APDL全參數(shù)化建立的網(wǎng)格模型如圖2所示。

3 優(yōu)化下齒輪箱體結構分析

在對下齒輪箱體剛度設計的過程中，底部壁厚以及側壁壁厚對下齒輪箱體剛度造成較大的影響。在具體設計的過程中，箱體的抗彎能力與側壁壁厚之間有密切的關系，箱體法向抗彎能力與底部壁厚之間有密切的關系。因此，在進行計算過程中，需要將底部壁厚以及側壁壁厚考慮為設計變量。相關人員對下齒輪箱體側壁壁厚以及底部壁厚相關內(nèi)容進行研究，得出的結論包括：下齒輪箱的底部壁厚以及側壁壁厚越大，會降低銷軸處的最大應力，使得底部壁厚以及側壁壁厚有相當?shù)匿N軸最大應力;較大的底部壁厚以及側壁壁厚，會降低變形撓度;較大的底部壁厚以及側壁壁厚會使得柱面有較小的收縮變形等[4]。底部壁厚與側壁壁厚對下齒輪箱結構的影響見表1。

借助不同方面結構的分析，能夠對狀態(tài)變量、優(yōu)化變量之間的關系有效明確，從而對下齒輪箱體結構有效優(yōu)化。在實際對下齒輪箱體設計的過程中，提環(huán)銷軸處應力最大應為628Mpa，選擇合適的材料，從而保證結構的強度，對設計的安全性、可靠性有效增強。借助垂直載荷作用，會出現(xiàn)明顯的法向變形，承載法蘭接觸面以及箱體是最突出的變形位置，結合不同剛度參數(shù)來看，能夠對下齒輪箱結構剛度的可靠性、安全性有效保證。在對底部壁厚以及側壁壁厚分析的過程中，需要首先明確底部壁厚以及側壁壁厚對下齒輪箱造成影響，因此，需要對不同變量之間的關系有效優(yōu)化[5]。在對結構參數(shù)化設計過程中，得到幾何參數(shù)的剛度、強度結果比較容易，能夠對后續(xù)設計工作的效率有效改善。在未來發(fā)展過程中，相關研究人員應加強對交流變頻電動頂驅系統(tǒng)下齒輪箱體結構優(yōu)化的研究，從而促進相關技術的發(fā)展和優(yōu)化，保證相應生產(chǎn)工作的效率和質(zhì)量。

4 結語

綜上所述，在交流變頻電動頂驅系統(tǒng)中，下齒輪箱體在其中發(fā)揮著十分重要的作用，因此，對下齒輪箱體結構優(yōu)化，能夠促進相應的生產(chǎn)工作的效率、質(zhì)量提升。在實際對下齒輪箱體結構設計優(yōu)化的過程中，研究人員要注意明確不同變量之間的關系以及對下齒輪箱體的影響，從而優(yōu)化結構設計工作。

參考文獻

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