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減速機是某鋼廠2050主軋線上的關(guān)鍵機械設(shè)備。經(jīng)過一段時間的使用后，發(fā)現(xiàn)大齒輪輻板出現(xiàn)裂紋，其方向是從加強圓管焊接處向齒圈和輪毅方向呈放射狀，并有發(fā)展趨向，嚴重影響設(shè)備的安全生產(chǎn)，并且在處理過的齒輪上又發(fā)現(xiàn)新的裂紋。為找出裂紋產(chǎn)生的原因和制定出大齒輪改造的實施方案，對其進行了有限元計算和強度分析。
本研究的強度計算分析采用的是有限元法，使用的是Marc有限元程序。它是一個在微機上使用的綜合性有限元軟件包。考慮到大齒輪的裂紋實際出現(xiàn)在齒輪輻板的鋼管焊接處，輪齒及軸孔部位強度無問題，因此，在模型簡化時，將該部位網(wǎng)格劃分較大且適當進行簡化處理，而對于裂紋、焊縫、應(yīng)力集中處，網(wǎng)格劃分較小，如裂紋處、鉆孔處、鋼管與齒輪輻板的焊接處，單元邊長僅為1 mm左右。
有限元采用8節(jié)點三維等參單元。對于輻板有鋼管無裂紋模型，共劃分14984個單元，19876個節(jié)點。圖為輻板有鋼管無裂紋齒輪有限元計算的網(wǎng)格圖。根據(jù)齒輪的實際工況，在齒輪輪毅的內(nèi)圓柱面施加約束，以避免計算中的剛體位移。齒輪的重合度為Er=2.86。經(jīng)過計算，最危險的情況是兩對齒嚙合。如圖所示，載荷分配比例為：第一對齒受載60%，第二對齒受載40%。在正常軋制時，軋制力矩為2.62xe6N.m，兩對齒施加的切向力F1、徑向力F2、軸向力Fp分別如表所示。
計算模型共計兩個，即輻板有鋼管無裂紋齒輪模型和輻板無鋼管無裂紋齒輪模型。載荷施加位置分為兩種，a、在第一筋板處，加力輪齒與輪軸中心位置的連線通過輻板兩圓孔的對稱中心線(筋板)，方向向上，定為工況A，位置如圖所示，b、加力在孔5處。加力輪齒與輪軸中心位置的連線通過輻板圓孔中心線，方向向左，定為工況，位置如圖所示。
為了確定齒輪的最大應(yīng)力方位，需要定義齒輪筋板、輻板圓孔的位置。其編號如圖所示。齒輪的應(yīng)力是強度分析的主要問題，而變形則是次要問題。這里僅給出兩幅變形圖，圖為輻板有鋼管無裂紋齒輪有限元計算變形圖(變形放大2000倍)，圖為輻板無鋼管無裂紋齒輪有限元計、算變形圖(變形放大1000倍)。由兩變形圖可以看到，齒輪輻板上的圓孔在受力后變?yōu)闄E圓形，加力點處輪齒內(nèi)凹。齒輪在轉(zhuǎn)動中受力點不斷變化，齒輪各部分的應(yīng)力亦隨之變化。
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