威尼斯网站网址

欢迎您光临济南兴达建筑机械官方网站!
济南兴达建筑机械 专业小型建筑机械、建筑工程机械供应商
当前位置:主页 > 资讯动态 > 常见问题 >

钢筋调直机直齿轮系静态分析

文章来源:兴达建筑?? 编辑:兴达建筑 ?? 发布时间:2018-10-27 08:35?? 浏览次数:

返回:资讯动态

  钢筋调直机是钢筋加工必不可少的设备之一。在调直钢筋的过程中,直齿轮传动机构起到了至关重要的作用,它是组成钢筋调直机的主要零件,同时是传动系统中承受载荷和传动动力的主要零部件。钢筋调直机的工作能力和工作质量在很大程度上都与直齿轮系有关,直齿轮传动的损坏而引起设备的故障、差错,会造成巨大的损失。因此,直齿轮系的设计不同于一般零部件的设计。齿轮应力和齿轮变形的计算是齿轮设计的2个重要问题,它关系到齿轮的承载能力和可靠性。相对于传统的计算方法,有限元法能快速、准确、可靠、灵活地分析计算各种结构。在此,通过计算出不同直径调直辊施加给双槽辊输入轴的转矩,也是输入轴施加给齿轮的转矩,利用ANSYS Workbench对直齿轮系进行分析,可以比较精确地掌握钢筋在调直时直齿轮系的应力和应变分布情况。

  1 模型建立

  1.1 传动机构的模型建立

  利用SolidWorks三维App对钢筋调直机传动机构进行建模,大体模型如图1所示。

  

 

  图1 钢筋调直机传动机构模型

  从图1可以看出,钢筋调直机主要传动方式是齿轮传动。齿轮传动是动力传动的一种形式,此原理很简单,即1对相同模数(齿的形体)的齿轮相互啮合将动力由双槽辊输入轴传递给介轮轴,再由介轮轴传给下一个双槽辊输入轴,以此来保证每一个双槽下调直辊是以同一个方向在转动,这样才能更有效率地调直钢筋。

  1.2 直齿轮的基本参数以及模型建立

  上、下轴两齿轮材料均为45号钢,此钢是常用中碳调质结构,具有较高的强度和较好的切削加工性,经适当的热处理后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性,材料来源方便,其材料密度为ρ=7.85×103 g/mm3,弹性模量为E=2.06×105 MPa,泊松比为μ=0.3。给定的直齿轮基本参数如表1所示。

  表1 直齿轮的几何参数

  

 

  根据渐开线的形成原理,可以利用数学方法推导出渐开线直齿轮的齿廓方程。设基圆的半径为rb ,压力角为α,渐开线上任一点K的滚动角为μ,则渐开线的方程为:

  

 

  (1)

  在建模时,首先把齿数、模数、压力角等设置成可输入的参数,根据齿廓的方程式生成齿廓渐开线和过渡曲线,再运用SolidWorks精确地扫描出一个齿面,随之镜像齿面,接着剪材料生成一个齿槽,然后阵列生成其他的齿,最后构造轴孔、键槽等结构特征。

  2 直齿轮的静力分析

  2.1 网格划分

  直齿轮啮合的网格划分如图2所示。在此,选用六面体网格,并利用 ANSYS Workbench12.1 App对齿轮进行 Hex Dominant来划分网格,最后整个模型共得到48 085个单元,153 955个节点。

  

 

  图2 直齿轮啮合网格划分

  2.2 施加载荷

  2.2.1 施加给调直辊的载荷

  根据手册可得知钢筋的屈服强度为400 MPa,抗拉抗压强度为360 MPa,极限强度为600 MPa。假设调直的钢筋直径D=8 mm,钢筋压弯时接触调直辊的部分取L=40 mm。通过式(2)、式(3)计算得出第1个调直辊所受的抗压力为361.728 kN,达到极限强度时的力为602.88 kN,屈服力为401.92 kN,在第1个辊施加屈服力,施力在双槽下调直辊FA处,如图3所示。由计算出施加给不同直径调直辊的载荷,来导出双槽辊输入轴上主动直齿轮所受到的载荷。

  

 

  (2)

  

 

  (3)

  

 

  (4)

  

 

  图3 调直辊及轴网格划分

  2.2.2 施加给直齿轮的载荷

  齿轮传动一般均加以润滑,啮合轮齿间的摩擦力通常很小,计算轮齿受力时,可不予考虑。沿啮合线作用在齿面上的法向载荷Fn垂直于齿面,为了计算方便,将法向载荷Fn在节点P处分解为2个互相垂直的分力,即圆周力Ft与径向力Fr,圆周力对主动轮来说是阻力,与运动方向相反,对从动轮来说是驱动力,与运动方向一致,径向力多是指向齿轮的轮心。由此得:

  

 

  (5)

  

 

  (6)

  

 

  (7)

  T为齿轮传递的转矩;d为标准齿轮分度圆直径;α为啮合角,对标准齿轮,α=20°。

  由于调直辊的直径范围是123~153 mm,调直辊和主动直齿轮都在双槽辊输入轴上,齿轮系的主动直齿轮围绕其输入轴旋转,完成与其他齿轮的啮合。因此,可得知调直辊和直齿轮的转矩是相同的,随着调直辊直径的变化,由式(4)可知,调直辊的转矩也会发生变化,从而输入轴的转矩也发生变化。从式(5)可以得出调直辊受到的转矩,这也是直齿轮及输入轴所受到的转矩,最后可计算出在不同直径的调直辊下主动直齿轮受到的载荷。当调直辊直径为123 mm,133 mm,143 mm,153 mm时,输入轴所受到的转矩分别为T1=2.472×107 N·mm,T2=2.673×107 N·mm,T3=2.874×107 N·mm,T4=3.075×107 N·mm。由式(5)可得直齿轮受到的载荷分别为F1=358.233 kN,F2=387.357 kN,F3=416.482 kN,F4=445.607 kN。最大力F4施加于齿轮时,可以算出其承受强度为255.75 MPa,远小于材料的屈服极限355 MPa,所以所受到的转矩符合要求。

  以上分析的是主动直齿轮上的力和双槽辊输入轴上的转矩,从动直齿轮上的各力分别与其大小相等、方向相反。

  2.3 直齿轮应力应变分析

  由式(5)可以计算出施加于双槽辊输入轴的转矩,也是主动直齿轮及调直辊受到的转矩。主动直齿轮围绕双槽辊输入轴旋转,完成与介轮轴上从动直齿轮的啮合,它围绕双槽辊输入轴的切线方向应设置为自由的,所以在主动直齿轮的中心施加圆柱约束,并将Tangential设定为Free,在从动直齿轮的中心施加固定约束。最后在主动直齿轮所在的双槽辊输入轴上分别加载T1、T2、T3、T4的逆时针转矩。利用ANSYS Workbench仿真出不同转矩下直齿轮的应力、应变分布图,如图4~图7所示。

  由图4~图7可看出,施加给双槽辊输入轴的转矩T1=2.472×107 N·mm时,直齿轮的最大应力为124.09 MPa,最大应力出现在主动直齿轮的齿根处,最大变形为6.204 3 mm,最大变形也出现在齿根处。施加给双槽辊输入轴的转矩T2=2.673×107N·mm时,直齿轮的最大应力为134.18 MPa,最大应力出现在主动直齿轮的齿根处,最大变形为6.708 8 mm,最大变形出现在齿根处。施加给双槽辊输入轴的转矩T3=2.874×107 N·mm时,直齿轮的最大应力为144.27 MPa,最大应力出现在主动直齿轮的齿根处,最大变形为 7.213 3 mm,最大变形也出现在齿根处。施加给双槽辊输入轴的转矩T4=3.075×107 N·mm时,直齿轮的最大应力为154.36 MPa,最大应力出现在主动直齿轮的齿根处,最大变形为7.717 8 mm,最大变形出现在齿根处。综上可以得知,随着调直辊直径增大,双槽辊输入轴及直齿轮所受到的转矩也在相应增大,直齿轮应力最大的区域是在主动直齿轮的齿根处。事实上,直齿轮的啮合位置是在一直变化的,不同的啮合位置,直齿轮轮齿受到的弯曲应力也会相应变化。在齿轮啮合过程中,节线靠近齿根处是最容易发生断裂的地方,啮合位置越接近齿顶圆,齿根处所受的弯曲应力越大。在齿轮啮合的过程中,齿根圆角处是最容易发生断裂的地方,这也是齿轮的主要失效形式。

  

 

  图4 转矩为2.472×107 N·mm时直齿轮应力应变云图

  

 

  图5 转矩为2.673×107 N·mm时直齿轮应力应变云图

  

 

  图6 转矩为2.874×107 N·mm时直齿轮应力应变云图

  

 

  图7 转矩为3.075×107 N·mm时直齿轮应力应变云图

  双槽辊输入轴在各个转矩下的应力应变情况如图8所示。由以上得出的数据可以得知,当额定载荷全部加载于FA处时,随着双槽辊输入轴的转矩增大,它的最大应力在逐渐递增,最大应力均出现在主动直齿轮的齿根处,受到最大应力的区域随着双槽辊输入轴转矩的增加而在增大,最大变形也在逐渐递增,最大变形出现在齿根处。由于是调直辊靠近轴肩一侧的凹槽对钢筋进行调直,调直的同时调直辊一直在转动,此时钢筋施加给调直辊的载荷就是调直辊施加给双槽辊输入轴的载荷。载荷和不同直径调直辊的乘积就是双槽辊输入轴的转矩,也是主动直齿轮所受到的转矩。主动、从动直齿轮相啮合传动,对于双槽辊输入轴不变的情形下,导致所受到的最大应力随着输入轴转矩的增大而逐渐递增,最大应力区域由于调直辊直径增加,面积、重量也在增加,受力区域面积相对增大,转矩也随之增大。从齿根最大变形量随着输入轴转矩的增大而逐渐递增可以看出,直径的增大虽然会增加面积与重量,但是调直辊施加给双槽辊输入轴的转矩才是影响齿根圆角应力变形的最主要因素。可以通过改善齿轮的润滑条件的方法来减小齿轮间的摩擦力,以降低齿根接触应力,从而提高齿根抵抗接触疲劳损伤的能力。

  

 

  图8 双槽辊输入轴在各个转矩下的应力应变曲线

  3 结束语

  对钢筋调直机直齿轮进行静态分析,能够更加准确地描述传动机构地整体性能,通过计算输入轴的转矩,得到直齿轮在啮合时的受力变化情况,找到最大应力、应变处。不同直径调直辊调直钢筋的过程中,其转矩随直径的增大而增大,齿根处出现应力最大值,主动、从动直齿轮应力变化与转矩变化成正比关系,应变大小与转矩变化也成正比关系,应力变化区域与转矩变化同样成正比关系。直齿轮最大应力均出现齿根处,并且最大变形量也均出现在齿根处,可以得知齿轮弯曲破坏容易从齿根先出现,所以必须对该区域结构加以改进,同时该直齿轮最大应力为154.36 MPa,远小于材料的极限强度355 MPa,满足设计安全要求。

相关文章: 钢筋调直机

XML 地图 | Sitemap 地图