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泰興減速機專業(yè)生產(chǎn)廠家泰強減速機2019年12月25日訊 對有限元方法與拓撲優(yōu)化方法等結構優(yōu)化設計技術在減速器箱體結構的優(yōu)化設計特別是在輕量化和低噪音設計的原理、應用及效果進行了概述；介紹了利用鑄造工藝分析軟件對減速器箱體的充型和凝固過程的模擬結果。結果表明，模擬結果可用來預測鑄造缺陷的形成、大小、分布及成因?？梢钥焖俳?jīng)濟地優(yōu)化鑄造工藝，消除鑄造缺陷，提高鑄件質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。
關鍵詞：減速機箱體；結構優(yōu)化設計；鑄造工藝優(yōu)化；數(shù)值模擬
泰興減速機是一種由封閉在剛性箱體內(nèi)的各種機械傳動所構成的獨立部件，在高速轉動的原動機和低速運動的工作機或執(zhí)行機構之間起匹配轉速和傳遞轉矩的作用，常用作原動件與工作機之間的減速傳動裝置。減速機一般用于低轉速大扭矩的傳動設備，用以傳遞動力和降低運動速度[1]。
減速機種類繁多，形式多樣。 作為一種用途十分廣泛且比較典型的機械傳動裝置，減速機主要由箱體、齒輪、軸、軸承及各種連接件等組成。其中箱體是減速機的重要組成部件，它是傳動零件的基座，結構相對復雜。通常減速機箱體由箱蓋和箱座通過螺栓等連接件裝配而成。
泰興減速機箱體作為減速機的基座，首先要具備足夠的強度。傳統(tǒng)的減速機箱體設計方式主要是依靠設計人員的設計經(jīng)驗和經(jīng)驗公式，往往選擇過大的安全系數(shù)，造成材料的浪費。顯然，對減速機箱體結構進行優(yōu)化設計，可達到節(jié)約材料、降低成本、提高經(jīng)濟性的目的[2-5]。 減速機箱體通常用鑄鐵和鑄造鋁合金制造，對于重載或有沖擊載荷的減速機采用鑄鋼材質(zhì)；有些減速機也采用鋼板焊接而成[1-3,6]。減速機箱體的結構設計水平和鑄造工藝設計質(zhì)量對鑄造箱體的制造水平與產(chǎn)品質(zhì)量至關重要。
隨著國家科技進步與節(jié)能減排政策的實施，減速機行業(yè)加快淘汰落后產(chǎn)能、加大產(chǎn)品更新力度、調(diào)整產(chǎn)品結構、大力發(fā)展高效節(jié)能產(chǎn)品的步伐。通用減速機的發(fā)展趨勢之一是向體積小、體重輕、噪聲低、效率高、可靠性高的方向發(fā)展。國內(nèi)外相關學者和研發(fā)廠商在減速機箱體的結構優(yōu)化設計與鑄造工藝優(yōu)化等方面做了大量的探索與研究[1-3,6-13]。
本文主要簡要介紹在減速機箱體的輕量化低噪音結構優(yōu)化設計與鑄造工藝優(yōu)化設計等方面的研究進展及應用效果。
1 減速機箱體結構的優(yōu)化設計
1.1 結構優(yōu)化的原理與方法
現(xiàn)代優(yōu)化設計以最優(yōu)化理論、有限元分析和計算機程序設計為基礎，能從眾多的設計序列中選擇出最佳設計序列。與NASTRAN、OptiStruct、ABAQUS 等有限元軟件相比，ANSYS 不僅可用做優(yōu)化設計，還可以做結構應力分析。 ANSYS 軟件含有參數(shù)化設計功能和優(yōu)化設計模塊，可為用戶提供自動完成有限元分析過程的功能[2,14]。
ANSYS 軟件的優(yōu)化設計模塊采用設計變量、狀態(tài)變量和目標函數(shù) 3 大優(yōu)化變量來描述基本優(yōu)化過程。 設計變量為自變量，通過改變設計變量的數(shù)值實現(xiàn)優(yōu)化；設計變量的上下限定義了變量的變化范圍。 狀態(tài)變量用來體現(xiàn)優(yōu)化的邊界條件，是作為約束設計的數(shù)值； 狀態(tài)變量可能是設計變量的函數(shù)，也可能獨立于設計變量；狀態(tài)變量可能有上下限，也可能只有上限或下限。目標函數(shù)作為設計變量的函數(shù)，是最終的優(yōu)化目的[2,14]。
對于減速機箱體的結構優(yōu)化問題，設計變量的初始值通常為箱體的原始設計數(shù)值，如軸的孔徑、筋板厚度、 箱體壁厚等。 狀態(tài)變量可以是應力、應變、質(zhì)量或體積等；如箱體的最大應力應小于箱體材料的破壞極限，箱體的最大變形應小于允許的最大變形等[2,14]。 目標函數(shù)在結構優(yōu)化中可以為體積、質(zhì)量、剛度、振動幅值或頻率等。
典型的 ANSYS 優(yōu)化過程通常包括以下 4 個步驟 [2]：①生成分析文件 ，包括建立參數(shù)化有限元模型、處理載荷與約束、求解和分析等過程；②構建優(yōu)化控制文件，包括指定優(yōu)化分析文件、聲明優(yōu)化變量、選擇優(yōu)化工具或優(yōu)化方法、指定優(yōu)化循環(huán)控制方式、進行優(yōu)化參數(shù)評價等過程；③修正設計變量，重新投入優(yōu)化循環(huán)；④查看設計序列結果及后處理設計結果。
1.2 箱體結構優(yōu)化效果
減速機箱體結構減重設計對于降低制造成本、提高車輛的動力性和燃油經(jīng)濟性等多種性能指標都有重要作用，不僅要兼顧功能和工藝性，同時還要確保剛度和強度的要求[6]。另外，減速機工作過程中會產(chǎn)生噪音，如何有效降低及減少噪聲、滿足環(huán)保要求也需考慮。有試驗表明[15]，電動汽車驅動系統(tǒng)的聲振特性減速機是產(chǎn)生噪聲的主要部件之一，其中與變速器箱體相關的以結構傳播形式的噪聲影響更大。
因此，箱體的結構優(yōu)化成為降低輻射噪聲的主要方法，低噪聲結構優(yōu)化設計已廣泛應用于變速器、齒輪箱中[16,17]。
馮志鵬 [1]對抽油機用 910D 型減速器下箱體輸出軸軸承座進行有限元計算, 確定其應力和位移分布；軸承座下端采用楔形凸臺支撐設計形式取代了原設計的凸臺支撐， 解決了局部應力集中和裂紋問題。張淑艷等[6]使用有限元方法及拓撲優(yōu)化技術對某型電動汽車減速器箱體進行了輕量化設計，優(yōu)化后的箱體結構剛度基本不變，而強度有所增加，箱體重減輕了6.4%。肖偉中等[3]在強度和模態(tài)分析的基礎上，在滿足箱體可靠性的條件下，采用拓撲優(yōu)化方法對橋式起重機減速器的箱體進行了輕量化優(yōu)化設計，使箱體減重約15%，同時箱體的抗振效果也得以提高。
圖1 優(yōu)化前后上箱體 Y 方向的應力分布云圖
圖1是趙麗娟等以1000 kW 礦用球墨鑄鐵QT400-15 減速機箱體為研究對象，在電動機逆時針轉動的載荷工況下， 應用有限元分析軟件 ANSYS對上箱體 Y 向進行有限元分析的結果[2]。 由圖 1(a)看出，上箱體在 Y 方向所受的最大應力出現(xiàn)在第5軸承座處，為23.6 MPa，遠小于材料的許用應力400 MPa。以箱體質(zhì)量最小為目標函數(shù)，利用ANSYS 的優(yōu)化設計模塊和參數(shù)化程序語言 APDL對箱體進行了優(yōu)化設計后，箱體體積減小，減重426.8 kg，比原重減少 13.3 %。優(yōu)化后上箱體 Y 方向的應力分布云圖如圖 1 (b)， 可以看出最大應力（26.2 MPa）出現(xiàn)在第 3 軸承座處，上箱體應力均在材料的許用應力范圍內(nèi)。 通過箱體的優(yōu)化設計為生產(chǎn)廠家降低生產(chǎn)成本，提高了利潤。
減速機表面振動是引起噪聲的主要原因。對減速機進行結構優(yōu)化，可提高其噪聲品質(zhì)。圖2 是方源等采用拓撲優(yōu)化和形貌優(yōu)化方法對減速器箱體進行低噪聲結構優(yōu)化的分析結果 [15]。圖 2(a)所示為 2 650 Hz 處減速機的振動云圖，顯然減速器輸出軸承座處振動明顯， 應作為結構優(yōu)化的設計區(qū)域。
圖2 優(yōu)化前后 2 650 Hz 處減速器表面振動
考慮到箱體的結構特點，采用在薄弱區(qū)域設置加強筋和增加壁厚的方式對箱體結構進行優(yōu)化。由圖 2(b)所示的優(yōu)化后減速器的動態(tài)響應分析結果可知，輸出級軸承座處的響應最大。對比圖 2(a)可知，優(yōu)化縮小了減速器的振動區(qū)域范圍， 降低了表面振動。
實際測試結果表明，優(yōu)化后減速機的輻射噪聲有所降低，噪聲品質(zhì)顯著提高。
2 減速機箱體鑄造工藝的優(yōu)化設計
2.1 鑄造模擬仿真的優(yōu)越性
減速機箱體通常為鑄鐵、 鑄鋁或鑄鋼材質(zhì)，是由鑄造毛坯經(jīng)過機加工制造而成。 鑄造工藝的優(yōu)劣關乎到鑄造過程的成敗，對于鑄件的質(zhì)量和工藝出品率也有重要影響。
傳統(tǒng)鑄造生產(chǎn)過程是首先依據(jù)鑄造原理和經(jīng)驗設計鑄造工藝，然后進行試澆注；再根據(jù)鑄件缺陷情況改進工藝并進行試生產(chǎn)，直至獲得滿意的鑄造工藝和合格鑄件。這種傳統(tǒng)的試錯法鑄造工藝設計方法不僅導致鑄造生產(chǎn)周期長，而且耗費大量的人力、物力，也難以保證鑄件質(zhì)量。
隨著計算機技術及模擬分析軟件的發(fā)展，鑄造模擬仿真技術開始應用于實際生產(chǎn)過程，使得傳統(tǒng)鑄造工藝設計模式得到極大改變。對鑄件的充型和凝固過程進行數(shù)值模擬， 可預測鑄造缺陷的種類、大小及分布，分析鑄件缺陷形成的原因；可根據(jù)模擬顯示結果對鑄造工藝進行改進與優(yōu)化，從而可以快速確定最優(yōu)的鑄造工藝，有效減少試模次數(shù)和試制周期，提高鑄件質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，在最大程度上消除鑄造缺陷[18]。
常見的鑄造模擬仿真軟件有
ProCAST、MAGMAsoft、ViewCast、Anycasting、華鑄 CAE/InteCAST鑄造工藝分析系統(tǒng)、蕓峰 CAE 鑄造工藝仿真分析系統(tǒng)等。 其中華鑄 CAE/INTECAST 和蕓峰 CAE 均為國內(nèi)鑄造領域著名的具有自主知識產(chǎn)權的鑄造工藝分析系統(tǒng)，在國內(nèi)鑄造行業(yè)應用廣泛。
2.2 鑄造工藝的優(yōu)化過程及效果
研究和實踐證明[9-13,18]，鑄造模擬仿真軟件在預測鑄件縮孔縮松缺陷的傾向、改進和優(yōu)化工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低廢品率、減少澆冒口消耗、提高工藝出品率、縮短產(chǎn)品試制周期、降低生產(chǎn)成本、減少工藝設計對經(jīng)驗對人員的依賴等諸多方面都有明顯的效果。
張俊濤等[9]利用華鑄 CAE/InteCast 集成系統(tǒng)模擬軟件對減速機箱體的鑄造工藝方案進行充型及凝固的模擬后，發(fā)現(xiàn)差速鎖熱節(jié)位置存在縮松缺陷；根據(jù)缺陷形成的原因對鑄造工藝進行了模擬優(yōu)化，并經(jīng)生產(chǎn)驗證，表明優(yōu)化后的鑄造工藝能確保證鑄件致密 ，質(zhì)量滿足要求。楊家財?shù)?[10]通過應用 AnyCasting 軟件對某鋁合金減速器箱體的鑄造工藝進行模擬分析，準確預測了鑄件缺陷的位置。米國發(fā)等[11]研究了減速器下箱體的鑄造工藝，利用 ViewCast軟件對設計方案進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在箱體上表面較厚部位、量油孔及齒輪槽肋處易產(chǎn)生縮松、縮孔等缺陷；通過在相應部位設置冷鐵后缺陷完全消除。
何志等[12]以某 ZL114A 減速機下箱體的澆注系統(tǒng)優(yōu)化設計為例，利用 MAGMA Soft 軟件進行了充型和凝固過程的模擬， 確定了缺陷位置；通過修改橫澆道、增加冒口尺寸對澆注系統(tǒng)進行優(yōu)化后最終消除了鑄造缺陷。
韓翠紅等 [13]采用 Anycasting 模擬了 HT200 渦輪減速器箱體呋喃樹脂砂鑄造的充型和凝固過程，分析了鑄件溫度場和流場的變化； 根據(jù)模擬結果分析了鑄件缺陷發(fā)生的位置、 分布及形成缺陷的原因，并進行了工藝優(yōu)化。圖 3 為渦輪減速機箱體鑄件及澆注系統(tǒng)的三維模型[13]。 圖 3(a) 為箱體鑄件的結構，箱體壁厚不均勻，且前部大孔邊緣的凸臺為機加工面和重要使用面，左右兩側的軸承孔要求組織致密、硬度高。軸承孔到底部平面處局部尺寸變化較大，鑄件易產(chǎn)生縮孔類缺陷。圖 3(b)所示為設計的單直澆道雙內(nèi)澆道、開放式澆注系統(tǒng)，設置 5 個普通補縮冒口起補縮和排氣作用。充型模擬結果表明，液態(tài)合金充型平穩(wěn)有序，無冷隔和澆不足等缺陷[13]。
圖3 箱體鑄件及澆注系統(tǒng)的三維模型
圖 4 為箱體鑄件的凝固過程及缺陷模擬結果。
圖5 優(yōu)化鑄造工箱體鑄件的凝固過程及缺陷模擬
由圖 4（a）可見，鑄件凝固時凝固前沿由薄壁邊緣向內(nèi)澆道處的厚大部位移動，最后的凝固位置為鑄件靠近內(nèi)澆道的厚大部位，容易形成孤立的液相區(qū)和縮孔縮松缺陷。圖 4（b）所示為模擬得到的冒口附近的缺陷結果，可知由于冒口尺寸設計不足，導致鑄件的頂部形成縮孔缺陷[13]。
根據(jù)圖 4 的模擬結果， 對箱體鑄造工藝進行優(yōu)化。 具體做法為將普通冒口改為保溫冒口并增大冒口頸尺寸，同時在鑄件側壁放置足夠厚度的冷鐵，如圖 5(a)所示。 鑄造工藝優(yōu)化后鑄件的凝固時間縮短23 min。 由圖 5（b）可見，施加冷鐵后，側壁的最后凝固區(qū)明顯移到了內(nèi)澆道一側。 從圖 5（c）看出，保溫冒口凝固時間的延長可以有效補縮鑄件， 工藝優(yōu)化后鑄件的致密度提高，無縮孔缺陷產(chǎn)生[13]。
3 結束語
國內(nèi)外學者在減速機箱體結構的優(yōu)化設計理論與實踐方面已經(jīng)做了大量工作，在箱體的輕量化和低噪音方面取得了良好的效果，使得在保證箱體強度和剛度的同時降低了減速機的總重和振動噪聲，從而提高了減速機的制造質(zhì)量。利用鑄造工藝分析軟件對減速機箱體鑄件的充型和凝固過程進行模擬，可預測鑄造缺陷的種類、大小及分布，分析鑄件缺陷形成的原因，從而檢驗鑄造工藝的優(yōu)劣并對鑄造工藝進行快速改進與優(yōu)化。鑄造模擬仿真技術在鑄造生產(chǎn)中的應用，極大改變了傳統(tǒng)鑄造工藝的設計模式，有助于快速經(jīng)濟地確定最優(yōu)鑄造工藝，提高鑄件質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，在最大程度上消除鑄造缺陷?？梢灶A見，機械結構的優(yōu)化設計技術與鑄造模擬仿真技術的應用，必將對包括減速機箱體在內(nèi)的機械產(chǎn)品提質(zhì)減重降噪起到極大的促進作用。
作者
西安理工大學 材料科學與工程學院
杜庚藝，張忠明，雷 宇，瑚 佩，任倩玉，徐春杰
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