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1、基于 ANSYS 的大摆锤减速机的选型与安装赵九峰武汉顺源游乐设备制造有限公司，武汉 430034摘要：建立了大摆锤的力学模型，确定了大摆锤减速机在启动情况下，减速机输出扭矩和安装距离的计算公式；结合实例，确定减速机的型号和合理的安装位置，应用 ANSYS 有限元分析软件，对计算结果进行了仿真分析，为大摆锤减速机的选型和安装提供数据支持。关键词：减 速 机 ； 输 出 轴 ； 扭 矩 ； ANSYSSelection and installation of Big Pendulum reducer based on ANSYS Zhao Jiu-feng Wuhan Shunyuan Amus
2、ement Equipment Manufacturing Corporation, Wuhan 430034, China;Abstract: Established a mechanical model of Big Pendulum based on the law of conservation of mechanical energy, to determine the formula of torque output and install distance of Big Pendulum reducer under the condition of starting. to de
3、termine the reducer type and reasonable installation location base on the instance, it also dose a simulation analysis of calculated result by ANSYS， to provide data support of the selection and installation of Big Pendulum reducer .Keywords: reducer; output haft; torque; ANSYS0 引言减速机主要应用在包括煤矿、电厂、工程
4、机械等一切与传动相关的领域，其工作的环境一般较为复杂，起的作用也十分重要，一旦出现工作不正常或者失效的情况，后果不堪设想 1，特别是在游乐设备行业。减速机的选型和安装，是保证减速机正常工作的前提。大摆锤的悬臂驱动组件主要由电机、减速机和小齿轮组成，通过小齿轮与回转支承齿轮的配合，带动悬臂回转支承绕中心轴转动。每隔一定周期，变换一次驱动力矩方向,在周期性的驱动力矩作用下，小摆锤悬臂的向上位移不断增大，当摆角达到设计要求时，不再施加驱动力矩。大摆锤摆动过程中，相当于一个蓄能器 2，因此只要能够启动悬臂摆动，通过来回多次驱动，即可达到预定摆角。在减速机输出小齿轮驱动回转支承大齿轮的啮合传动的过程中，
5、相互之间会产生较大的切向力、径向力，这些力产生弯矩和扭矩，仅对大摆锤启动时的驱动载荷特性进行分析，依此选择相应的减速机和确定合理的安装位置。 ANSYS 软件作为一种大型通用的软件，已成为 CAE 分析的主流软件，通过ANSYS 对减速机输出轴的弯矩和扭矩进行模拟，并对计算结果进行评价，可以缩短设计周期，减少设计成本 3。1 大摆锤的载荷特性分析大摆锤的力学模型如图 1 所示：图 1 大摆锤的力学模型设大摆锤悬臂摆动部分的质量（包括乘人）的质量为 ，摆动部件质心到m摆动轴心的距离为 ，大摆锤整个摆动部分（包括乘人）对摆动轴心的转动惯r量：2Jmr（1）悬臂摆动启动时，回转支撑装置中，滚动体承压
6、方向一致，对回转支承的总压力 3：4sincosarFN（2）其中： 回转支承承受的轴向力；aF回转支承承受的径向力；r回转支承的压力角。悬臂摆动过程中，需要克服的回转摩擦阻力矩 4：12mTDN（3）其中： 回转阻力系数，对于滚球式回转支承，值为 0.01；滚道平均直径。悬臂回转支承与水平面成 90，在启动时会形成坡道阻力矩： sinnTmgr（4）其中： 重力加速度，值为 9.8m/s2；g大摆锤启动的回转角度。悬臂摆动过程中，需要克服惯性阻力矩：9.5pJnTt（5）其中： 悬臂驱动的回转速度；n悬臂启动时间。t则大摆锤启动过程中，需要克服的回转阻力矩：mnpT（6）减速机通过小齿轮，驱
7、动回转支承大齿轮做回转运动，减速机需要的输出扭矩：jTfxi（7）其中： 减速机峰值扭转系数，大摆锤减速机承受的交变载荷，取值f1.25；减速机的数量；x悬臂驱动小齿轮与回转支承的传动比。i减速机的输出扭矩： jT其中： 减速机许用输出扭矩。T减速机输出轴末端连接小齿轮，通过齿轮传动带动大摆锤悬臂做往复摆动，因此对减速机进行受力分析，需对齿轮传动做受力分析。齿轮传动一般均加以润滑，啮合轮齿间的摩擦力通常很小，计算轮齿受力时，可不予考虑 5。沿啮合线作用在齿面上的法向载荷 垂直于齿面，为了计nF算方便，将法向载荷 分解为两个相互垂直的分力，即圆周力 与径向力 ，nFtrF如图 2（1）所示。由此
8、可得：圆周力： 2jtTFd（8）法向力： costn（9）其中： 减速机小齿轮传递的扭矩；jT小齿轮的节圆直径；d减速机需要的输出弯矩：nMFL（10）其中： 法向力作用线到输出轴根部的距离；L减速机的输出弯矩： 其中： 减速机许用输出弯矩。（1）小齿轮受力分析 （2）安装位置示意图图 2 减速机载荷分析2 实例验算本文以 32 座大摆锤为计算对象，由两台电机和减速机驱动悬臂摆动，其摆动部分的质量（包括乘人）： =1.66104kg；摆动部件质心到摆动轴心的距m离： =9.3m。r数据代入公式（1） ，求得大摆锤摆动部件的转动惯量：=1.661049.32=1.44106kgm2J由于大摆锤
9、悬臂的回转支承为对称安装，回转支承承受的轴向力 =0，回aF转支撑的齿轮为标准齿轮，压力角 =20；悬臂启动过程中，摆动的角度和速度都很小，悬臂回转支承承受的径向力为是摆动部分的重力，即： 。rmg数据代入公式（2） ，求得大摆锤回转支承的总压力：=2.2105N401.609.8sin2cos2N回转支承滚道直径 =1.25m，数据代入公式（3） ，求得摩擦阻力矩：D=1375Nm50.1.10mT大摆锤启动的回转角度 =5，数据代入公式（4） ，求得坡道阻力矩：=131860Nm4.69.83sinn大摆锤启动的转速 =1.0r/min，启动时间 =3.5s，数据代入公式（5） ，求t得惯
10、性阻力矩：=43082Nm61.40.953pT由公式（6）可得大摆锤启动过程中，克服的回转阻力矩：=176317Nm1786042悬臂驱动小齿轮与回转支承的传动比 =4.39，数据代入公式（7） ，求得减i速机输出扭矩：=25102Nm12367.549jT选取某企业生产的 10#减速机，许用输出扭矩 =31000Nm，满足大摆锤jT驱动的设计要求。减速机输出轴小齿轮的分度圆直径为 =0.322m，数据代入公式（8） ，求得d小齿轮的圆周力：=155913N2510.3tF由公式（9） ，小齿轮的法向力： =165919N，1593cos20nF10#减速机许用输出弯矩 =15319Nm，由
11、公式（10）得减速机输出轴小M齿轮的安装距离：=0.092m=92mm15396L计算结果表明：法向力作用线到输出轴根部的距离不大于 92mm 时，减速机可正常工作。由以上分析可知，当弯矩达到许用弯矩时，扭矩还有一定的余量，为了使减速机的扭矩和弯矩有相同的余量，即若减速机发生破坏，扭矩和弯矩同时达到许用载荷。此时由公式（8） ，求得小齿轮的圆周力：=192547N2310.tF由公式（9） ，小齿轮的法向力： =204904N，192547cos0nF由公式（10）得减速机输出轴小齿轮的安装距离：=0.075m=75mm1539204L结果表明，为了保证减速机的效能发挥到最大，法向力作用线到减
12、速机输出轴根部的距离应不大于 75mm。3 减速机的有限元分析采用 ANSYS 有限元方法，对减速机进行分析计算，利用三维软件Solidworks 建立输出轴和小齿轮的三维实体模型，并导入 ANSYS 中，然后在输出轴根部施加刚性约束，在小齿轮啮合面上施加圆周力和径向力。载荷与约束如图 3 所示：图 3 减速机小齿轮的载荷与约束减速机小齿轮输出轴的扭矩和弯矩计算结果，如表 1 所示：表 1 小齿轮输出轴扭矩和弯矩计算结果扭矩 （ Nm）T弯矩（Nm）xM弯矩（Nm）y （Nm2xyM）仿真结果 25102 5220.8 14344 15265理论结果 25102 / / 15319误差范围 0
13、 0.4%由表 1 可知，扭矩的仿真结果和理论解一致，弯矩的仿真结果和理论解误差很小（0.4%） 。表明计算结果的可靠性。4 结论利用 ANYSY 软件，对减速机输出端的弯矩和扭矩分析，由第 2 节实例计算结果，进行计算对比，如表 1 所示。（1）基于通用有限元分析软件 ANSYS，建立了减速机输出轴和小齿轮的三维模型，模拟了大摆锤在启动工况下，减速机承受的扭矩和弯矩。（2）通过仿真计算结果与理论值的对比，表明理论计算结果与仿真模拟结果相吻合，表明计算结果的可靠性。（3）计算结果表明，合理的减速机安装位置，才能使减速机的效能发挥到最大。通过理论计算和仿真模拟，为大摆锤减速机的选型和安装，提供了
14、较重要的理论依据。减速机的选型还需进行发热验算等，本文不再累述。参 考 文 献 ：1姚海明，王会刚，刘伟等. 基于 ANSYS 主减速器壳应力及模态分析 J. 机械设计与制造，2010（3）：135-136. 2雒晓兵，许可芳，王均刚. 基于 ANSYS 分析的减速器输出轴设计 J. 机械研究与应用，2013（6）：34-36. 3雒晓兵，许可芳，王均刚. 基于 ANSYS 分析的减速器输出轴设计 J. 机械研究与应用，2013（6）：34-36. 4 张质文等. 起重机设计手册M.北京:中国铁道出版社 ,1997.5 濮良贵，纪名刚. 机械设计M.北京:高等教育出版社 ,2006.第一作者简介赵九峰（1981- ） ，男，河南平顶山，硕士，毕业于大连理工大学，工程师，主要从事结构仿真与载荷响应研究。通讯地址：武汉市硚口区新墩一村特一号附 7 号；邮编：430034；联系电话：15102738570；E-mail：zjf_
