CAE技术在球磨机齿轮传动中的应用实例

摘  要：

通过ANSYS对球磨机系统齿轮副的失效形式进行研究，得到在齿轮传动副在静态、模态及接触分析时的特性，从而得出齿轮副在设计、制造和运行中薄弱环节，并提出延长齿轮寿命的方法。

关键词：齿轮传动；CAE技术；ANSYS；球磨机

球磨机是物料被破碎之后，再进行粉碎的关键设备。它广泛应用于水泥，硅酸盐制品，新型建筑材料、耐火材料、化肥、黑有色金属选矿以及玻璃陶瓷等生产行业，对各种矿石和其它可磨性物料进行干式或湿式粉磨。齿轮副传动是它的重要组成部分，它的重量、体积、成本在整机中占有很大的比重，其工作效率对球磨机的工作有很大的影响。本文利用CAE技术，通过对广泛使用的￠2700*3600型球磨机齿轮传动副进行静态、模态及接触分析，找出齿轮在设计和运行方面的薄弱环节，提出改进措施，使得CAE技术在齿轮传动中得到应用。

球磨机齿轮传动原理及出现的问题

本文采用的是￠2700*3600型球磨机为湿式格子板型，其传动系统为半开式单边传动系统，其传动结构简图如图1所示，其中采用的电动机型号为TDM400-32，功率为400kw,转速为187r/min.动力通过电动机1经联轴器2传给小齿轮3，再经过齿轮副传动传给固定在球磨机出料端的大齿圈4上，从而带动球磨机转动来完成矿石的粉磨工作。表1为两齿轮的参数。

1 电机  2 联轴器  3 小齿轮  4 大齿轮

图1 球磨机传动系统简图

表1. 齿轮的参数

在生产运行过程中，球磨机传动副存在许多问题，如齿面磨损、点蚀、轮齿折断和齿面胶合等形式。这使得齿轮的使用寿命变短，小齿轮有的使用不到一年就失效，大齿轮使用不到四年也失效。

2 CAE技术对齿轮失效进行分析

CAE技术是以有限元分析技术为基础，综合了计算力学、计算数学、相关的工程管理学与现代计算技术而形成的一门综合型、知识密集型的学科。ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用CAE有限元分析软件。

下文通过ANSYS对小齿轮进行静态、模态分析及对齿轮传动副进行模态分析，找出齿轮副传动失效的原因，从而在生产设计中改进。

2.1 三维建模并网格划分

在ANSYS环境中采用自顶向下的建模方式建立小齿轮模型，并采用四节点四边形板单元进行网格划分，如图2所示:

图2 小齿轮模型及网格划分

2.2 静力分析

2.2.1 边界条件及载荷设置

位移边界条件：齿轮在工作过程中做圆周运动，受力位置在齿面处，因此要将内孔边缘节点的轴向位移固定，在齿缘设置轴向转速为187r/min。

力的边界条件：因齿轮在工作时高速旋转，因此齿轮应作用有高速旋转引起的惯性载荷，转矩大小为20223.53N.m。

边界条件及载荷图3所示：

图3 边界条件及载荷

2.2.2 静力分析结果

对齿轮进行受力分析，应力分布图如图4所示。在图中可以看到应力最大位置发生在齿根处，最大应力载荷为47.53MPa。在工作过程中，无论齿轮所受的载荷稳定与否，齿根弯曲应力均为变应力，在球磨机中齿轮所受的齿根应力为脉动循环变应力，因此在制造过程中，应在齿根处避免应力集中，同时要防止因装配不当，在长时间运转过程中导致轮齿在齿根处断裂。

图4 应力分布图

2.3 模态分析

对齿轮进行模态分析，可得到齿轮的固有频率，表2显示了齿轮的前15阶频率。图5（a）为频率为8.4973时的应力分布图，图5(b)为在此频率下的总变形图。从应力分布图中可以看到，齿根处应力最大，同时齿侧两端存在不对称的应力分布，这导致在轮齿发生左右摆动，从总变形图中可以看到齿顶变形最大，齿根次之，这种变形在工作过程中会产生轮齿间不均匀的接触，产生振动。因此通过模态分析可以在齿轮运行过程中避开某些频率，防止轮齿产生过大的振动，这样可以减轻齿轮传动过程中的噪声。

表2. 前15阶频率

（a）

(b)

图5 频率为8.4973时的模态状况

2.4 接触应力分析

在ANSYS环境中建立齿轮传动模型并进行网格划分，如图6所示，将第一齿轮内径固定，在周向施加0.2的位移载荷，同时将大齿轮进行全约束。可得等效应力云图如图7所示，齿间的接触应力分布如图8所示，从图中可以看到由于齿轮为渐开线齿轮，一对齿轮在运转过程中，总是以主动轮齿廓根部的一点与从动轮齿廓的顶点开始啮合，然后啮合点的位置沿啮合线向下移动，到达主动轮的齿顶时两齿廓脱离接触，可见在接触状态下齿轮的应力发生在单齿啮合区的接触最高点处。

在齿轮工作过程中，由于齿面接触时应力过大，同时由于在啮合过程中存在相互滑动，齿面由此产生摩擦导致齿面磨损。当有金属颗粒或灰尘等异物落入相啮合的齿面之间，会导致齿面的磨粒磨损，因此应采取有效措施防止损害齿面。

图6 齿轮接触模型及网格划分

图7 等效应力云图

图8 齿间接触应力分布图

3  改进措施

通过上述ANSYS的静力，模态及接触分析结果，可以得到采取以下措施防止齿轮过早失效。

1）将齿轮传动系统由半开式改为封闭式，防止粉尘进入齿轮副的啮合面之间，同时改进球磨机衬板螺栓的封闭结构，杜绝球磨机漏浆现象的发生，最大限度的减少磨粒磨损现象的发生。

2）对齿轮采用必要的热处理工艺，进行表面强化处理，能有效提高齿面的接触疲劳强度。

3）在齿轮加工时，对齿根处进行适当的倒角，并进行强化处理，提高齿根弯曲疲劳强度，防止在长时间运行时出现齿根断裂现象。

4）在滚齿机运转的过程中，防止在固有频率附近旋转，造成轮齿振动而产生较大噪声，影响齿轮寿命。

4  结论

通过CAE技术的分析我们可以得到以下结论：

1）通过静力分析，可知齿轮传动过程中齿根处所受应力最大，可能会产生齿根断裂。

2）通过模态分析，可知齿轮振动特性及产生噪声的原因。

3）通过接触应力分析，可知在齿轮传动过程中，应力最大分布在单齿啮合区的最高点处，可能导致齿面磨损等失效形式。

4）通过分析，对传动中的齿轮及工作环境进行改进，可以在很大程度上减少齿轮过早失效，从而提高齿轮寿命。

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