減速器功率提升的數字仿真
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毛謙德教授，北京理工大學(xué)機械與車(chē)輛工程學(xué)院，100081；劉耀乙教授，北京理工大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，100081.早先在設計傳動(dòng)裝置時(shí)，必須在方案設計和確定尺寸時(shí)考慮大量的運行參數，允許功率幾何邊界和位置關(guān)系、速比數據等許多參數均有待確定。在確定減速器軸的尺寸時(shí)，所傳遞的轉矩、出現的彎曲應力和橫向力，相應地考慮危險區域的應力集中，都對計算起著(zhù)決定性的作用。對于滾動(dòng)軸承計算，確定尺寸時(shí)應計入應用中要求的壽命預定值和空間限制。
如今對傳動(dòng)技術(shù)部件，例如
齒輪減速器，要求重量輕、減速器結構牢固、功率密度高、減速器元件壽命長(cháng)。從減速器的單件生產(chǎn)到大量的減速器系列，要求在規劃階段即對單個(gè)系統元件進(jìn)行精確的評價(jià)，這些元件在不同的安裝條件和運行條件下必須無(wú)故障地工作。在開(kāi)發(fā)階段，這種類(lèi)型的復雜系統愈來(lái)愈多地利用數字仿真的方法進(jìn)行研究。
為了識別靜態(tài)的、特別是動(dòng)態(tài)的極限運行關(guān)系，在機械傳動(dòng)技術(shù)中建立了仿真模型，它們在建模中力求盡可能接近地描繪出實(shí)際系統。每一個(gè)實(shí)際的傳動(dòng)系統的計算模型僅僅表示一個(gè)抽象的概念。除了求得齒輪嚙合中的變形關(guān)系和位移外，特別為分析動(dòng)態(tài)性能建立了計算模型，其中規定了下列重點(diǎn)：一一通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真在新開(kāi)發(fā)或優(yōu)化時(shí)節省費用和時(shí)間。
一一澄清提出的問(wèn)題（共振、軸或箱體斷裂、噪音等）。
一一確定與預定極限指標（如能量消耗剛度極限轉速結構空間、噪音輻射等）有關(guān)的最佳參數。
為了適應日益增長(cháng)的市場(chǎng)需求，近年來(lái)在SKF進(jìn)行了大量的軟件開(kāi)發(fā)工作，其中特別注意開(kāi)發(fā)既用于滾動(dòng)軸承開(kāi)發(fā)，又用于系統描述的模型軟件和仿真軟件。由SKF開(kāi)發(fā)的用于復雜系統建模和仿真的軟件包之一就是Orpheus程序，這是一套最全面地逼近實(shí)際運行條件的建模和仿真程序。
利用這個(gè)軟件包，可以實(shí)現分析整個(gè)部件或機器（如包括齒輪、軸箱體和滾動(dòng)軸承的減速器）的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的計劃任務(wù)。
為了能夠將SKF工程師們的專(zhuān)業(yè)知識和技術(shù)能力提供給所有的用戶(hù)，建立了一個(gè)在“SKF工程咨詢(xún)服務(wù)”名義下為SKF用戶(hù)圈提供計算技術(shù)服務(wù)的業(yè)務(wù)部門(mén)。服務(wù)的重點(diǎn)是工程應用的分析建模和靜、動(dòng)態(tài)性能仿真。優(yōu)先的應用范圍是圓柱齒輪減速器或行星減速器、壓縮機、泵、電機或整個(gè)傳動(dòng)回路，它們在問(wèn)題歸納時(shí)，在缺陷分析變形特性或噪音及振動(dòng)性能方面，或者為了優(yōu)化系統，能夠非常精確地進(jìn)行研究。
218K減速器方案樣機以為參加2003年漢諾威工業(yè)博覽會(huì )被SKF公司的不同部門(mén)優(yōu)化了的18K減速器方案樣機為例（），說(shuō)明其設計過(guò)程。
18K減速器方案樣機是在一個(gè)280直齒減速器的基礎上，經(jīng)過(guò)相應的詳細建模和分析建造的，并且在相同的速比和功率數據下，將中心距減小到250mm.為了使所有的部件和新的功率密度相匹配，并且達到要求的超過(guò)5000h的系統壽命，有必要對減速器的單個(gè)零部件重新進(jìn)行計算。除了新的、較高承載能力的SKF軸承，即承載數平均提高15%的柔度特性、變形特性及構件負荷的數字仿真，對減速器進(jìn)行分析。
在建模中，考慮了減速器箱體的所有零件、軸>參與工作的軸承及單個(gè)齒輪嚙合。建模中的難點(diǎn)是滾動(dòng)軸承的詳細描繪、考慮軸承中的預緊力、軸承間隙、溫差等運行參數以及出現的偏斜情況。制造偏差（例如裝配或定向誤差，軸承配合的不圓度）雖然原則上是可以建模的，但是在研究中沒(méi)有考慮進(jìn)去。
由原始的箱體設計可以非?？斓亟⑾潴w的三維模型（）。該模型輸入到商業(yè)性有限元軟件“ANSYS*程序，插入單個(gè)節點(diǎn)（滾動(dòng)軸承外壞端蓋）描述，并且連成箱體網(wǎng)格（）。
網(wǎng)格結構一般數據很多，往往由于處理時(shí)間太長(cháng)，而不適用于實(shí)際分析。因此，為了進(jìn)一步處理箱體結構，采用了一種稱(chēng)為CMS（組元模態(tài)合成法）的靈巧的壓縮技術(shù)，由此明顯地降低了自由度的數目l2J.在這種方法中，構件的變形場(chǎng)通過(guò)相應的形狀函數描述，選擇形狀函數時(shí)應使它們滿(mǎn)足邊界條件。
利用這種方法，可以算出變形，并且自然地求得在寬頻率范圍中的振動(dòng)模態(tài)。作為用于進(jìn)行進(jìn)一步計算的基本結構，表示了了包括所有組成部分的減速除了計算核心外，Orpheus程序還提供了有目的的動(dòng)畫(huà)和形象化的可能。結構的變形性能或應用的動(dòng)態(tài)性能可以按照這種方式進(jìn)行圖形處理（和），或者作為錄像演示觀(guān)看。用于不同結構或方案之間的比較觀(guān)察數據可以對照列出，并且進(jìn)行評價(jià)?？赡艿膬?yōu)化措施，及其對與箱體結構、軸承選擇和軸承排列等因素有關(guān)的剛度變化的影響，能夠在計算機中虛擬地進(jìn)行建模。
3總結在18K項目范圍內，為了評價(jià)和優(yōu)化18K減速器方案樣機，獲得了下列數據：?jiǎn)蝹€(gè)滾動(dòng)軸承內的所有接觸應力分布。
一一軸承內外座圈之間出現的傾斜。
一一按照ISO281131計算出的單個(gè)滾動(dòng)軸承的修正名義軸承壽命。
識別振動(dòng)特性和減速器可能的主特征噪音源的研究，不是優(yōu)化措施的對象。
減速器方案樣機18K的功率與如今工業(yè)中通常使用的大型280減速器相當，然而與基本模型相比，重量減輕了15%~2（%，尺寸減小了1現~20%，能耗減少了10%~13%.與SKF程序Orpheus相連的有限兀方法的大量應用，使得對整個(gè)減速器系統的所有傳動(dòng)部件的靜動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行詳細的分析成為可能。
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