球磨机大齿轮轻量化仿真与设计方法研究

摘要

球磨机是在建材、冶金、选矿和电力等许多工业中应用极为广泛的一种粉末设备，具有不可替代的地位。球磨机传动方式有边缘传动和中心传动两种。边缘传动由小齿轮与固定在简体尾部的大齿轮啮合，带动球磨机转动，可以用高速电动机或低速电动机连接。中心传动减速机输出轴和球磨机中心线在同一直线上，我国中心传动的球磨机通常只用于高转速电机。边缘传动球磨机造价较低，应用更为广泛。由于目前我国正在使用的球磨机质量大，工作效率低，绝大部分电能都转变为热能而损失。因此，大齿轮轻量化仿真与设计方法研究是十分必要的。
　　轻量化技术包括结构优化设计技术、新材料设计技术、以及多学科综合优化设计技术。我国球磨机在制造业市场培育下，产品技术水平和制造能力有了很大提高，但与国际先进水平相比仍有较大差距。我国球磨机行业要想获得可持续的发展，必须尽快研究、制造出符合社会需要的节能减排的新结构、新材料、新工艺和新技术，以推广资源节约型、能源节省型和环境友好型的绿色设计技术。
　　本文主要在以下几个方面开展球磨机大齿轮轻量化研究:
　　(1)球磨机大齿轮的轻量化方法的研究。根据现代轻量化设计理论制定了球磨机大齿轮轻量化设计具体方案及流程，按流程内容选择适合的FEM工具;
　　(2)基于轻量化设计的球磨机大齿轮齿宽分析。根据球磨机以及齿轮传动系统工作机理，建立大齿轮静力学接触和弯曲模型进行仿真计算，并基于工作特性和结构强度对不同齿宽模型进行对比分析，确定轻量化大齿轮齿宽;
　　(3)球磨机大齿轮轮辐结构轻量化设计。建立大齿轮轮辐结构静力学模型，对轮毂和通孔结构逐步进行拓扑优化，确定轻量化大齿轮轮辐结构;
　　(4)球磨机大齿轮轻量化结构动态校核及模态校核。建立轻量化大齿轮动力学及模态分析模型，基于结构强度、动态特性、啮合稳定性、工作效率等全参数指标进行显式动力学仿真计算以及模态仿真计算，校核轻量化大齿轮结构的安全性。
　　基于以上设计思路，结合现代轻量化设计理论，融合传统力学计算、有限元仿真技术和拓扑优化等手段，对选定的球磨机大齿轮进行了轻量化设计，在保证安全性的前提下，使大齿轮重量降低了30.32％，有效地提高了球磨机效率。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 轻量化技术国内外研究现状

1．2．1 结构优化设计研究现状

1．2．2 齿轮接触分析研究现状

1．2．3 齿根弯曲分析研究现状

1．2．4 齿轮系统动力学研究现状

1．3 研究目的与意义

1．4 课题的主要研究内容

第2章 球磨机大齿轮轻量化设计方法研究

2．1 现代轻量化概念和设计方法

2．1．1 轻量化定义

2．1．2 轻量化方法及设计战略

2．1．4 轻量化设计原则

2．2 大齿轮轻量化方案

2．2．1 大齿轮轻量化要点

2．2．2 大齿轮轻量化方案

2．2．3 仿真工具选择

2．3 本章小结

第3章 基于轻量化设计的球磨机大齿轮齿宽分析

3．1 球磨机和大齿轮参数

3．1．1 球磨机参数

3．1．2 大齿轮结构和材料参数

3．2 轻量化目标及齿宽的选择

3．3 接触应力分析

3．3．1 接触分析概述

3．3．2 模型建立及仿真前处理

3．3．3 仿真结果分析

3．3．4 齿宽对接触应力影响

3．3．5 传统接触应力计算

3．3．6 轴线平行度误差对接触应力影响

3．3．7 接触应力分析小结

3．4 弯曲应力分析

3．4．1 弯曲分析概述

3．4．2 传统弯曲应力计算

3．4．3 齿根弯曲应力分析方法

3．4．4 齿根弯曲应力仿真分析

3．4．5 仿真结果分析

3．4．6 齿宽对弯曲应力影响

3．4．7 弯曲应力分析小结

3．5 本章小结

第4章 球磨机大齿轮轮辐结构轻量化设计

4．1 轮辐结构轻量化方法概述

4．2 轮辐结构轻量化设计

4．3 本章小结

第5章 球磨机大齿轮轻量化结构动态校核

5．1 动态校核原因和内容概述

5．2 模型建立

5．3 网格划分

5．3 仿真前处理

5．4 仿真结果分析

5．4．1 动态整体安全性分析

5．4．2 动态轮齿分析

5．4．3 动态通孔结构分析

5．5 本章小结

第6章 球磨机大齿轮轻量化结构模态校核

6．1 模态校核方法概述

6．2 模态仿真模型与前处理

6．3 模态仿真结果分析

6．4 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢