CAE技术在球磨机齿轮传动中的应用

第六届中国CAE工程分析技术年会论文集 - 426 - CAE技术在球磨机齿轮传动中的应用

黄建龙，孙付仲，吴志刚 （兰州理工大学机电工程学院，兰州 730050） 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

The Application of CAE Technology in the Gear Drive of Ball Mill HUANG Jian-long SUN Fu-zhong WU Zhi-gang (College of Mechano-Electronic Engineering, Lanzhou Univ. of Tech., Lanzhou 730050) Abstract : With the research in failure mode of the gear pair in ball mill system by ANSYS, we can get the characteristic of gear pair in static、modal and contact analysis, so that we can have the weaknesses in the design、manufacture and running of gear pair, and then come up with the methods of prolonging the gear’s life. Key word: Gear drive; CAE technology; ANSYS; Ball mill

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。 第六届中国CAE工程分析技术年会论文集 - 427 - 1 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 参 数 类 型 齿 数 Z 模 数 m 压力角α 齿 宽 B 齿顶高系数h 顶隙系数c 材质 精度等级 小齿轮 23 20 20 460 1 0.25 35simn 8 大齿轮 198 20 20 450 1 0.25 35铸钢 8 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: 第六届中国CAE工程分析技术年会论文集

- 428 - 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。 第六届中国CAE工程分析技术年会论文集

- 429 - 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 阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 频率 0.4267 2.2499 2.2507 5.1542 5.1692 5.8288 5.8293 6.9441 阶数 9 10 11 12 13 14 15 频率 6.9461 7.3398 7.3762 7.3776 8.1405 8.1432 8.4973

（a） 第六届中国CAE工程分析技术年会论文集

- 430 - (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 第六届中国CAE工程分析技术年会论文集

- 431 - 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。 第六届中国CAE工程分析技术年会论文集 - 432 - （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。

参考文献： [1]. 黄建龙，闫存富. 对球磨机传动齿轮副失效形式的分析及改进[J]. 矿业工程 2007.5 [2]. 邱宣怀，郭可谦，吴宗泽等.机械设计[M].高等教育出版社，1997，7 [3]. 胡仁喜等..ANSYS8.2机械设计高级应用实例[M]．北京：机械工业出版社，2005 [4]. MARKWD，REAGORCP，MCPHERSONDR．Assessing the role of plastic deformation in gear health monitoring by precision measurement of failed gears[J]．Mechanical Systems and Signal Processing 2007,21(1):177-192

作者简介： 黄建龙，1951年1月生，河南新郑市人，兰州理工大学机电工程学院教授，博士生导师，甘肃省工业经济发展研究院执行副院长，曾任甘肃工业大学人事处处长，机电工程学院院长。主要研究方向“理论与成套机械装备的设计与开发”、“机械可靠性设计理论与方法”。承担国家重点科研项目“机械反馈滚齿机”、“高精度滚齿机”、“裂纹技术的基本原理与应力断料机”等。孙付仲、吴志刚 兰州理工大学机电工程学院09级硕士研究生，联系方式：邮箱：sunfuz@126.com， 地址：甘肃省兰州市兰州理工大学（校本部）002信箱，邮编：730050，联系人：孙付仲。