基于SolidWorks的胶管钢丝编织机主传动系统分析

吕晓东，钟佩思，吝伟伟，葛 旋，贾明霞

（山东科技大学 先进制造技术研究中心，山东 青岛 266590）

随着工业化程度的提高，对胶管质量的要求也不断提高。胶管作为一种良好的液体输送工具，被广泛应用于农业、工业、航空航天领域。钢丝编织胶管是一种由耐液体介质的合成橡胶内胶层、中胶层、钢丝编织增强层以及耐天候性能优良的合成橡胶外胶层组成的耐压胶管，主要应用于矿井液压支架、油田开采等对耐压性能要求较高的环境中。钢丝编织作为钢丝编织胶管生产中的重要工序，直接影响胶管的质量。均匀的编织结构可以合理分担液体的压力，提高胶管的耐压性能。因此，对钢丝编织机主传动系统的研究显得尤为重要。

本工作基于SolidWorks平台，建立钢丝编织机主传动系统的三维模型，并通过Simulation进行有限元分析，获取钢丝编织机的运动特性。

1 钢丝编织机主传动系统结构

1.1 工作原理

选择较经典的GBG-64型钢丝编织机的主传动系统（结构如图1所示）进行分析，该系统采用环形齿轮和两级行星齿轮带动拨齿轮运转。主动齿轮传递至1个行星齿轮Ⅱ，再由行星齿轮Ⅱ传递给环形齿轮，环形齿轮外圈与4个行星齿轮Ⅱ啮合，内圈为凹形，与4个表面为凸形的托轮配合，环形齿轮带动其余的3个行星齿轮Ⅱ转动，行星齿轮Ⅱ分别传递给相邻的行星齿轮Ⅰ，从而带动锭子下方的拨齿轮运动。采用上述齿轮啮合方式，可提高齿轮传递的平稳性，减少振动[1]。

图1 主传动系统结构示意

1.2 三维模型的建立

钢丝编织机主传动系统主要依靠齿轮传动，高质量的钢丝编织是在各个齿轮精准啮合的基础上实现的。SolidWorks API为用户提供了强大的二次开发接口，以VB为开发工具，开发出直齿圆柱齿轮参数化建模程序，利用该程序进行齿轮的三维建模，提高了齿轮建模的精准度和建模效率[2]。钢丝编织机的主传动系统三维模型如图2所示。

图2 主传动系统三维模型

设计中先在SolidWorks中录制宏，获取宏操作代码，将其复制到VB中的相应位置，然后进行修改调试以达到设计要求，通过程序驱动设计变量实现模型的创建和更新[3]。

通过参数设置设计出的各个齿轮在装配时应该采取自下而上的装配方法[4]。首先插入机座，然后再安装齿轮。齿轮配合时可引入辅助线，便于齿轮位置的固定，配合完毕将其压缩，防止其干涉后面的运动分析。齿轮配合时根据齿轮的分度圆直径比填写传动比例，只有正确的传动比例才能保证齿轮运转过程中的正确啮合。

2 运动分析

GBG-64型钢丝编织机采用Y160L-6电动机作为动力源，通过带轮与二级变速器相连，最终将动力输送到主动齿轮。主动齿轮的转速（n2）为

式中，n1为电动机稳定运转的转速，取970 r·min-1；i1为带轮传动比，取3∶1；i2为二级减速器传动比，取2∶1。

为保证各齿轮在固定点旋转，防止在运动分析时齿轮与机座脱离，影响分析结果，在每个齿轮上加装线性电动机，设置距离为零。在主动齿轮上加装旋转电动机，通过闪光测速仪测出电动机在带有钢丝编织机负载的情况下的启动转速变化数据，按照传动比缩放，拟合出如图3所示的主动齿轮的转速曲线，将该数据曲线添加到旋转电动机中。

图3 主动齿轮转速曲线

由于环形齿轮尺寸较大，齿轮的厚度相对较小，最容易发生变形，因此针对环形齿轮进行重点分析。通过SolidWorks平台提供的动力学计算插件Motion，计算环形齿轮的角速度。结果显示，环形齿轮从启动到稳定运转，速度变化相对均匀，加速度变化平稳，达到稳定运转时的角速度为626 rad·s-1。

3 有限元分析

3.1 静力分析

SolidWorks不仅提供Motion插件，还具有强大的有限元分析能力，可利用Simulation进行环形齿轮的有限元分析，分析其变形和应变情况，为优化设计提供依据。与传统的有限元方法相比，SolidWorks Simulation更加简单明了，通过各种夹具对模型进行约束，然后施加载荷，最后划分网格进行计算。

环形齿轮内侧通过4个托轮支撑，在添加夹具的时候选择固定夹具，将环形齿轮的内表面固定，在外圈与行星齿轮Ⅰ作用的齿轮面上施加一个与齿轮面垂直的100 N的力，对整个环形齿轮施加沿着中心轴转动的626 rad·s-1的转速。有限元网格划分时将网格密度调高，SolidWorks Simulation会根据计算部位的复杂程度自动调节局部网格的密度。以该环形齿轮为例，齿轮部分的网格密度相对较高，最后进行计算。

环形齿轮位移和应力分布如图4所示。由图4（a）可知，最大变形部位在环形齿轮的最外圈，最大变形量为4.951×10-2mm，变形比为2 548.27，变形相对较小，能达到实际生产需求。由图4（b）可知，应力最大为200.664 kN·m-2，发生在环形齿轮内侧。通过增加托轮的数量使应力分布更加均匀，可以解决内侧应力集中的问题。

图4 环形齿轮位移和应力分布

3.2 疲劳强度分析

SolidWorks Simulation采用材料的S-N（应力-寿命）曲线，结合多种因素，通过插值得出零件的S-N曲线，并根据Miner线性损伤累计规则，计算出零件的疲劳寿命。

由于作用于钢丝编织机主传动系统的各零件的应力水平较高，属于低循环疲劳，因此，将循环周期设为100次，关联静态算例，比例为1，负载类型为完全反转（LR=-1），恒定振幅时间交互作用设为随意交互作用，计算交替应力的手段为等应力，平均应力纠正为Soderberg[5]。

通过求解得到的环形齿轮寿命如图5所示。分析可知，环形齿轮在100次循环承载后的最大生命周期为1.4×108次，最小生命周期为1.934×105次，发生于环形齿轮内圈与托轮相配合的凹槽壁上。损坏比例恒小于1，可满足生产要求。

图5 环形齿轮寿命云图

4 结语

利用SolidWorks平台进行钢丝编织机主传动系统的分析，可实现从建模到运动分析、静力分析和疲劳强度分析的优化设计过程。SolidWorks Simulation和SolidWorks Motion软件与SolidWorks软件完全整合，当模型改变时分析数据库也相应更新，分析结果直接显示在模型上[6]。分析过程简明直观。通过SolidWorks软件对钢丝编织机的主传动系统进行优化，可以设计出更高质量的胶管钢丝编织机，并且节约研发成本，缩短设计周期。