Strand7: 应用实例: 变速箱

一个用于传送驱动系统的二级减速箱的分析

背景资料

位于澳大利亚新南威尔士州纽卡索港的Port Waratah Coal Services Limited (PWCS)公司经营着世界上最大、效率最高的煤处理系统。它的终端站位于新南威尔士州的Kooragang岛，占地60公顷，自1984年开始营业。PWCS为了将终端站总吞吐量增加到每年八千九百万吨，对该站分三个阶段进行了扩建。扩展工程的第三个阶段于2001年九月完成。

按合同约定，戴维布朗有限公司(DBGI)提供第三个阶段的运输驱动系统设计装配。DBGI公司位于新南威尔士州的Bulli，经营驱动设备系统已有140年历史。他们的业务市场横跨澳大利亚、欧洲、北美、南太平洋和南部非洲。该公司技术及设备力量雄厚，可以生产小到5公斤大到250吨的变速箱。

做为合同的一部分，DBGI 要设计和安装16个有特殊用途的 B2-560SP 变速箱于传送驱动系统。下面所示的 800 千瓦( 988 每分钟转速)的二级变速箱由一个伞齿轮和一个斜齿轮组成。

由于设计要求降低总的噪音水平，要特别注意对齿轮箱的设计。上下齿轮箱用球状石墨铸铁制造以使箱体有很好的减振降噪能力。客户的一个附加要求是箱体的设计要尽量减少平坦的表面以免煤灰在齿轮箱上积累，这样，上盖具有相当新颖的形状。

工作内容

做为项目设计阶段的一部分， Strand7 Pty Ltd 公司工程咨询部 承担了齿轮箱的固有频率分析。该分析是为了研究齿轮箱壳及组件的振动特征，其结果将与实体模型测试结果一起用于改进设计。

DBGI 公司使用 AutoCAD® Mechanical Desktop (MD) 软件生成了变速箱的实体初步设计模型。实体模型包括了大量的倒圆角、倒直角及几何组合(small fillets, chamfers and blends.)等特性。这种细部特征通常使网格的自动剖分过程变得极其复杂。一个简化分析的常用方法是在准备有限元模型时，从CAD 模型里去掉这些小的细部特征。但是，这在生成CAD模型阶段需要额外的工作，常常是需操作两个CAD模型，一个用于设计，一个用于有限元分析。这种做法加长了设计过程，而且当模型复制时，会产生潜在的错误。

使用Strand7 的几何清理工具来检查和改正输入的几何文件中的大量异常特征，也即使用清理工具消除小的和可忽略的特征。这对DBGI的工程师们非常有吸引力，因为他们可以直接把他们复杂的DWG文件输出为一个ACIS-SAT文件，然后输入到Strand7并进行网格划分。由于建立的每一个CAD模型应用于整个设计和分析过程中，所以可以很快地对不同的模型做出比较。

变速箱的分析包括了内部轴、轴承。为满足频率分析时的需要，模型包括内部轴、齿轮和轴承并在分析时考虑它们对整体质量和刚度的贡献。Strand7的交互式单元生成工具用来在模型中插入轴和集中质量(包括平动和转动，注意在CAD实体模型中未包含这些部分)。这是一个非常有效的操作功能，因为轴和轴承用简单的梁单元模拟而降低了模型的自由度数。整个网格共生成了四十万个四面体单元。

结果

用固有频率求解器对于每一设计计算直到第一个齿合频率的二阶谐振时的所有频率和振动模态。图中给出了几阶固有振动模式的振幅等值线图。因为只有相对短的周转时间来对大量的形状和肋尺寸进行评价，有限元分析的主要目的是对各种各样的设计进行比较。把有限元结果与变速箱初始铸造模型的碰撞实验结果相比较。

利用与实体模型测试结果相结合分析的方法来帮助将振动和噪音降低到最底限度，以使变速箱满足严格的环境标准。

基板分析

Strand7 Pty Ltd 还完成了用于变速箱的基板的有限元分析。它包括在CAD实体模型基础上用网格生成器来生成基板焊接构件的板网格。

板网格完成并指定了厚度后，再添加上若干梁单元来考虑变速箱、发动机和其它设备对钢度与质量的贡献。 这些构件的数据由戴维布郎齿轮工业公司提供，其中变速箱的质量与惯性特征由用于固有频率分析的模型获得。分析中对模型施加了扭转荷包括固有频率及钢板内的应力。