基于有限元分析法对密炼机减速器箱体的优化设计

丛丹，孙齐

（大连橡胶塑料机械有限公司，辽宁　大连　116039）

基于有限元分析法对密炼机减速器箱体的优化设计

丛丹，孙齐

（大连橡胶塑料机械有限公司，辽宁大连116039）

本文以密炼机减速器为研究对象，按照等强度理论，利用有限元分析法对密炼机减速器箱体进行优化设计，通过对比优化前和优化后箱体的应力值、应变值及安全系数，调整箱体的壁厚及加强筋等位置，并多次校核分析，最终达到最佳优化的效果，总结在设计过程中的设计方法和注意事项，为今后同类型减速器的设计提供了很高的参考价值。

减速器箱体；优化设计；应变云图；最大拉应力云图

1　课题的研究背景及意义

随着世界经济全球化、全球经济一体化的逐步深化，汽车行业蓬勃发展，轮胎的需求与日俱增，中国的橡胶机械行业呈现高速发展的趋势。我国橡胶机械行业已告别过去的测绘仿制时代，绝大多数产品已经具有自主研发的能力，其中包括橡胶密炼生产线、橡胶压延生产线、橡胶开炼机系列、橡胶挤出机系列等［1～2］。中国的制造业近年来迅速崛起，已成为当今世界的制造大国，我国正处于由“中国制造”向“中国设计”的转型期，如今我们需要提高自身产品的核心竞争力，在全球市场中开拓一片新的天地。

密闭式炼胶机简称密炼机，主要用于橡胶的塑炼和混炼，是橡胶制品厂以及轮胎厂的重要设备。法拉尔作为Banbury密炼机的发明人，不断推出先进技术，它的F系列密炼机深受轮胎生产企业和初级复合物公司喜爱。随着串联密炼机和一次法炼胶工艺的出现，密炼机已成为橡胶机械行业不可或缺的重要组成部分，如今仍在不断的发展和完善［3］。随着新型密炼机、新型炼胶工艺的出现，齿轮传动技术飞速的发展，新技术、新理念、新设计方法的不断提出，产品的设计目标已不再满足单一的强度要求，而是对产品内部主要零件的寿命差异、设备运转噪声提出了更高的要求，等强度设计［4］、低噪声设计［5］，已成为在现代设计方法中重要的设计理论［6］。

我公司密炼机是在F系列上发展起来的，它揉合了美国法拉尔（FARREL）和日本神钢（KOBELCO）的技术优点，并借助于多年的工艺技术积累以及强大的加工设备，结合多年的国内、国外用户的使用经验，逐步形成具有本土风格的密炼机。由于减速器结构复杂，利用传统的计算方法难以对箱体的强度和刚度进行精确计算与校核，为了保证减速箱的可靠性及安全性，在减速器的设计过程中，箱体的壁厚通常是按照经验公式确定的，然而这样设计出箱体的安全系数通常较大，造成强度浪费，也会增加制造成本。

2　课题的研究内容

本文以密炼机减速器为例，按照等强度理论重新设计齿轮参数，利用ANSYS对箱体进行有限元分析，对箱体各部分的应力分布、变形等进行详细的计算、分析、比较，从而对箱体的结构进行优化，这样既保证减速箱箱体的强度和刚度满足要求、又降低箱体的重量和成本，最后总结出结构与之相同的减速器箱体在设计中的注意事项。

密炼机减速器作为重要的齿轮减速器，失效概率为1/1 000，可以确定最小安全系数。通过选用优质的齿轮材料，热处理等级并提高齿轮的加工精度，按照等接触强度和等弯曲强度理论重新设计齿轮参数，优化后各齿轮的安全系数都满足失效概率为1/1 000时要求，各级齿轮中心距均有不同程度的优化。

优化后的减速器箱体进行重新设计，箱体壁厚按照机械设计手册：公式优化后第三级齿轮中心距As=810 mm，箱体的厚度△max=29.3 mm，优化前减速器箱体壁厚为32 mm，取值相对保守。现在将箱体壁厚取值为24 mm，并对箱体进行有限元分析。

2.1创建三维模型

利用UG软件创建三维模型，在下箱体受压应力和上箱体受拉应力的地方增加筋板来增加箱体的刚性，由于输出轴处齿轮产生的切向力最大，所以增加输出轴轴承座的高度以减小此处的应变。将箱体本身对计算影响不大的螺栓孔和倒角进行简化，以减少箱体的单元数，降低计算量。箱体选用吸振和有利于降低噪声的材质，HT200，生成实体后将模型生成后导入ANSYS Workbench中，如图1 （左侧为XM-270箱体，右侧为改进箱体，后图相同）。

图1　三维模型

2.2模型网格划分

将HT200的材料属性输入Workbench中，参数如下：

弹性模量：1.4×10II

泊松比：0.31

密度：7.2×103kg/m3

然后对箱体模型划分网格，单元格类型为四节点正四面体，划分模型如图2所示，优化前箱体的节点数为343 975，单元数为189 276；优化后箱体的节点数为307 202，单元数为166 475。

图2　划分网格

2.3边界条件

模拟减速器运行时的受力情况，减速器箱体与地基座通过10个地脚螺栓连接，在这里将这10个螺栓孔施加全约束，限制了箱体的位移，这与实际工况相符，箱体所受到的载荷通过计算轴承所承受的支反力求得，如图3所示。

图3　约束与轴承力

2.4结果分析

前处理完毕，经过计算，求解，应变云图、最大拉应力云图分别见图4、图5。由箱体分析结果可知，最大应变由0.256 mm减小为0.178 mm，最大拉应力由65.98 MPa减小为62.41 MPa，应变和应力均有所减小。HT200的抗拉强度，属于脆性材料，分析结果应以最大拉应力为准，箱体的安全系数为3.2。

3　结论

优化后各级齿轮的中心距缩小，整个箱体尺寸减小，相比优化前而言，各齿轮轴对箱体产生的作用力有增大的趋势，而从结果中可以看出，无论是应变还是拉应力，都是缩小的趋势，可见合理的结构能够有效的改善箱体的受力情况，达到预期的效果。

在有限元分析的过程中，当局部应力较大时，在相应的位置增加筋板的数量，增加倒圆角可以有效的降低箱体的应力集中。在设计箱体时，箱体的壁厚对成本的影响很大，减小箱体的壁厚能够降低其毛坯成本，达到理想的性价比。在齿轮轴向力较大处，箱体

图4　应变云图

图5　最大拉应力云图

的变形也比较大，所以在设计齿轮时，应着重考虑降低轴向力或者尽量抵消轴向力，这是设计所追求的目标。

利用有限元法对密炼机减速箱箱体进行计算分析与优化，既能够直接准确的计算减速器箱体的强度和刚度的最大主应力及最大变形值，又能降低生产成本，实现设计优化，得到理想数据，有限元法为减速箱箱体的设计提供一种新的计算与校核工具。

［1］ 陈维芳.我国橡胶机械行业现状及发展方向［J］.橡塑技术与装备， 2005，31（05）:13～17.

［2］ 周保弟.我国橡胶机械工业的现状［J］.石油和化工设备，2009，（11）:4～7.

［3］ 于清溪.密闭式橡胶混炼机的技术现状及最近发展［J］.橡塑技术与装备， 2010，36（9）:4～17.

［4］ 冀晓红.渐开线圆柱齿轮的等强度设计［J］.机械设计与制造，2004，（06）:12～13.

［5］ 张晓莉.低噪声齿轮的设计［J］.液压与气动， 2009，（9）:58～60.

［6］ 秦大同.国际齿轮传动研究现状［J］.重庆大学学报. 2014，37（8）:1～10.

（R-01）

测定乳聚型充油丁苯橡胶中单体质量分数的方法

中国石油天然气股份有限公司发出一种测定乳聚型充油丁苯橡胶中单体质量分数的方法，包括以下步骤：将乳聚型丁苯橡胶样品切成碎块，包入已编号的滤纸包中，将滤纸包放入回流装置回流，然后取出滤纸包，将样品放入真空烘箱中干燥至恒重；取干燥后的样品放入已编号的核磁专用样品管中，加入氘代氯仿溶剂，充分加热溶解，稳定至室温后，利用核磁共振波谱仪进行氢核磁共振（1H-NMR）扫谱工作；利用得到的核磁共振氢谱，标定出不同峰区所对应的含氢官能团类型，确定积分起止参数；及根据各积分值及其反映的官能团结构之间的关系推导出单体质量分数关系式。该测定方法操作简单，快速准确，适用于对乳聚型丁苯橡胶的批量分析或生产质量控制。

燕丰 供稿

Optimization design of mixer reducer box based on fi nite element analysis method

Optimization design of mixer reducer box based on fi nite element analysis method

Cong Dan，Sun Qi
（Dalian Rubber Plastic Machinery Co.， LTD.， Dalian 116039， Liaoning， China）

In this paper， Using fi nite element analysis method to optimize the design of mixer reducer case，by comparing the stress and strain valuesand the safety factor before optimization and after optimization ， adjust the casing wall thickness and stiffener location， and repeatedly check analysis， ultimately achieve the best effect of optimization.It summarise design methods and considerations in the design process for the future，and provides a high reference value for the same type reducer design.

reducer box； optimization design； strain contours； the largest tensile stress nephogram

TQ330.43

1009-797X（2016）17-0056-03

ADOI:10.13520/j.cnki.rpte.2016.17.013

丛丹（1988-），女，助理工程师，2011年毕业于沈阳工业大学，现主要从事密炼机、开炼机传动装置的研发设计工作，获批国家专利1项。

通讯邮箱：756667511@qqcom

2016-06-03