基于NX Nastran的矿用井下装载机变速器有限元分析

摘 要：本文以矿用井下装载机变速器为研究对象，主要基于有限元方法对变速器进行数字化建模，并对变速器零部件的结构强度和动态特性进行有限元分析，通过应力图和云图找出结构设计的问题所在，对相关结构直接进行改进，满足井下复杂工况下的应用。

关键词：井下装载机；变速器；有限元分析

矿用井下装载机是一种一种矮车身、中央铰接、前段装载的装、运、卸联合作业设备。动力传动系统是车辆中最复杂和关键的系统之一，也一直是车辆工程中的前沿、关键技术和亟待解决的重要科学研究对象。本文主要應用UG软件二次开发对变速器箱体、渐开线斜齿轮和轴类零部件进行实体建模，并进行模拟装配。然后应用NX Nastran进行变速器箱体的结构强度和动态特性的求解分析。

随着我国采矿工业的发展，对井下采矿和运输机械设备的需求量越来越大，在技术和可靠性上的要求也进一步提高。为缩小与国外产品差距、加快工程机械自主化研发速度、提高我国井下装载设备的设计和制造水平、提高采矿生产率和降低成本，本文以井下装载机传动核心—动力换档变速器为研究对象。动力换档变速器在特定的工作环境和装载工况下频繁换挡，变速器的工作性能和可靠性决定了整机的性能和寿命，所以对变速器的研究至关重要。

1 变速器模型的建立

1.1 变速器的介绍

本文是以井下装载机、铲运机的定轴式动力换挡变速器，是应用于非公路工作条件下的变速器，其强度和可靠性高的特点适用工程机械的工况多、载荷大、在工作过程中频繁的变换档的工作环境。因此该类型变速器在地下装载机中广泛应用。该液力变速器由液力变矩器、动力换挡变速箱（变速箱箱体、前壳和齿轮离合器部件）、操纵阀等部分组成。该变速器的轴系是定轴式布置的，这样就减小了箱体的轴向尺寸，使轴部件的布置更加紧凑，且符合箱体内部空间的要求。总机在工作过程中需要降轴且为四驱，即前后桥都需要动力输出，定轴式变速器满足这一要求。

1.2 变速器的数字化建模

变速器箱体是铸造件，其中箱体壁有很多油路且其壁厚度不一，导致箱体内部结构复杂，增加了测绘的难度。为了能够得到准确的模型，测绘时首先使用三坐标测量机来测量其关键位置的定位，测量得到关键位置的坐标参数。将多次的测量的结果进行装配，最后得到箱体的整体测量的主要数据即点云。将测量结果保存为*.igs文件，导入UG中进行箱体主要面和基准的完善和建模。

2 变速器主要零部件建模

井下装载机/铲运机用变速器中安装的多为渐开线变位斜齿轮，所以变位齿轮的设计建模是我们面临的首要问题。本文应用UG NX7.0的实体造型、编辑和布尔运算功能，并选择UG提供的Grip作为二次开发工具，根据设计中齿轮的法面齿数、模数、压力角等重要参数自动生成三维模型。

3 变速器零部件的结构强度有限元分析

3.1 变速器箱体结构强度分析

箱体静力分析主要是应用NX Nastran基本模块进行求解。Nastran静力分析主要是求解结构与时间无关或时间作用效果可忽略的静力载荷（包括集中载荷、分布载荷、温度载荷、惯性载荷等）作用下的响应，得出所需节点的位移、节点力、约束反力、单元内力、单元应力和应变能等。变速器箱体是铸造件，结构复杂，其表面不规则曲面较多，因此需要简化箱体结构，并定义材料属性及网格划分，箱体受荷载分析，添加约束和荷载，得到其应力应变云图。

根据箱体的结构分析结果，可以作如下改动：将箱体轴承座孔处壁厚加厚，其他部位减薄。改进后箱体满足强度条件，且应力分布更均匀，箱体重量减轻。分析结果显示箱体改进方案有效可行。

3.2 输出轴的有限元分析

对变速器的输出轴进行结构分析，包括静力分析和疲劳分析，在一档工况时，变速器箱体会承受较大的载荷并产生较大的应力和变形。

3.2.1 输出轴的静力分析

由应力图可以看出最大应力为45.5MPa，出现在轴承端面两侧；由位移图可以看出红色出为最大位移值为9.604×10.-3mm。因此，最大应力<[σ]，变形位移也较小，所以输出轴强度足够。

3.2.2 输出轴疲劳特性分析

由疲劳安全因子云图看出输出轴的破坏疲劳寿命最大为10.36次，最小处也为6.4×10.12次，所以都在设计寿命之外，绝对安全。

4 结论

本文应用三维建模软件UG完成了对井下装载机变速器逆向设计，建立了变速器的三维模型；使用有限元分析软件NX Nastran对变速器的箱体和主要零部件的结构强度和动态特性进行了研究。通过对箱体，齿轮，轴等部分关键部件进行分析可知，该研究方法对于结构分析快速有效，且通过云图可以直接找出结构设计的问题所在，对相关结构直接进行改进优化，满足井下复杂工况下的应用。

参考文献：

[1] 高娟.汽车变速器箱体结构强度分析与优化设计[D].长春：吉林大学，2011.

[2] 杨汾爱，龙小乐，等，基于精确建模的斜齿轮接触应力有限元分析[J].机械科学与技术，2003，22（2）：206-208.

[3] 张学亮.基于ANSYS技术的齿轮箱模态分析及优化[J].制造业信息化，2010，6：70-72.

作者简介：东鑫渊（1988-），男，汉族，陕西西安人，硕士，西安思源学院工学院讲师，主要研究方向：车辆工程。