基于有限元数值分析方法的伞齿轮箱静强度、疲劳研究

王海鹏

（国能铁路装备有限责任公司，北京100010）

1 受力分析与结构强度评定

齿轮箱齿轮设计参数表1所示。齿轮箱采用ZG230-450铸造和机加工方式，材料力学性能如表2[1]所示，其中疲劳极限指定存活率为99.9%，指定寿命为107。

表1 齿轮箱设计参数

表2 ZG230-450材料力学性能

2 受力分析

由于圆柱齿轮系有三种设计方案，本文选取最大齿轮受力情况进行分析，可满足其他设计方案的静强度分析。齿轮箱应力按极端工况下（输入扭矩为4503）计算箱体静强度和疲劳强度，齿轮箱受力计算基本参数如表3所示，强度振动加速度工况如表4示，施加的振动加速度方向与力的方向相反，使得加载最大化。

表3 齿轮受力值（小齿轮受力绝对值）

表4 强度载荷工况（g=9.81m2/g）

3 箱体静强度、疲劳及模态结果评定

3.1 箱体静强度与疲劳强度评定

本小节对箱体静强度进行分析，包括有限元模型、网格划分、应力云图以及安全系数。

表5为不同工况下箱体有限元模型网格划分统计，满足计算分析的要求。不同工况下分析如图2所示，图2a为网格划分与载荷加载图，图2b箱体Von Mises等效应力云图，图2c最大VonMises等效应力云图。图3与图2类似。

图2 左旋逆时针箱体前进工况

图3 箱体前6阶形变云图

表5 不同工况下箱体有限元模型网格划分统计

图1 左旋顺时针箱体后退工况分析图

表6为齿轮箱应力按极端工况下（输入扭矩为4503N·m）箱体静强度和疲劳强度计算结果。由表可知，在输入极限扭矩、同时发生垂向、纵向、横向冲击加速度叠加的极端情况下：左旋顺时针工况下箱体静强度和疲劳最小安全系数分别为3.08和2.386，左旋逆时针工况下箱体疲劳强度最小安全系数分别为4.159和3.21，以上系数表明在极限工况下，箱体满足静强度和疲劳强度要求，在设计寿命内不会发生疲劳损坏。

表6 不同工况静强度与疲劳强度评定

3.2 箱体模态分析

表7为箱体模态网格划分参数，满足有限元计算要求。图4为2轴箱体前6阶模态箱体形变云图。

表7 箱体模态网格划分参数

箱体运用过程中除了线路振动激扰外，还有来自齿轮箱自身的循环振动，主要包括输入端齿轮轴的回转，输出端车轴的回转以及齿轮啮合振动等。箱体的约束模态固有频率应避开输入端、输出端回转频率及其倍频，还应避开齿轮啮合频率及其倍频。

表8为齿轮箱齿轮传动装置频率，表9箱体约束模态，对比分析表8和9，箱体1阶模态频率以大于轴自传频率及齿轮啮合频率。箱体约束模态频率完全避开了齿轮箱正常运行时的频率及其频率，避免了齿轮箱体共振现象的产生，齿轮箱不会发生共振疲劳破坏。

表8 齿轮箱齿轮传动装置频率

表9 箱体约束模态

4 结语

（1）在输入极限扭矩、同时发生垂向、纵向、横向冲击加速度叠加的极端情况下：左旋顺时针工况下箱体静强度和疲劳最小安全系数分别为3.08和2.386，左旋逆时针工况下箱体疲劳强度最小安全系数分别为4.159和3.21。以上系数表明在极限工况下，箱体满足静强度和疲劳强度要求，在设计寿命内不会发生疲劳损坏。

（2）箱体1阶模态频率以大于轴自传频率及齿轮啮合频率。箱体约束模态频率完全避开了齿轮箱正常运行时的频率及其频率，避免了齿轮箱体共振现象的产生，齿轮箱不会发生共振疲劳破坏。