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                基于行駛仿真試驗(yàn)的行星減速機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真
            時(shí)間:2008-01-30 15:39:00來(lái)源:yangliu

    2K—H(A)型行星排具有3個(gè)基本構(gòu)件:太陽(yáng)齒輪a、內(nèi)齒輪b和行星架,如果知道了其中輸入件和制動(dòng)件的具體情況,則可得出傳動(dòng)比計(jì)算公式。本文所討論的行星減速機(jī)為內(nèi)齒輪b被制動(dòng),即n=0,太陽(yáng)齒輪a輸入和行星架輸出(見圖2)的傳動(dòng)形式,則其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為
    
    則得其傳動(dòng)比計(jì)算公式為
    
2.2行星減速機(jī)實(shí)體建模
    根據(jù)圖1所示流程圖所示應(yīng)該首先建立本文討論的行星減速機(jī)的各零部件的三維實(shí)體模型,并對(duì)各零部件進(jìn)行組裝,形成各級(jí)子裝配并最后進(jìn)行總裝配建模的過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題如下:
    (1)模型簡(jiǎn)化
    盡管行星減速機(jī)模型中的許多小部件不可忽略,但如果每個(gè)部件都加以考慮也是十分不現(xiàn)實(shí)的,例如一些密封的元器件,在動(dòng)力學(xué)仿真中不必考慮的這些問(wèn)題都可以在進(jìn)行建模的過(guò)程中省略掉,以減小模型的大小和在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)節(jié)省時(shí)問(wèn),在建立模型時(shí)對(duì)易損件和難修件進(jìn)行了側(cè)重。



    對(duì)所建立的虛擬樣機(jī)進(jìn)行無(wú)驅(qū)動(dòng)情況下的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,由運(yùn)動(dòng)輸入及輸出的角速度之比確定建立虛擬行星齒輪的三維實(shí)體模型樣機(jī)的傳動(dòng)比為3.5786,與設(shè)計(jì)的傳動(dòng)比相差無(wú)幾,因此可以認(rèn)為所建立的虛擬樣機(jī)是準(zhǔn)確的,可以代替實(shí)物樣機(jī)來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。
3基于MSC.ATV的行駛仿真試驗(yàn)
    MSC.ArV系統(tǒng)是基于ADAMS軟件的一個(gè)工具包,是美國(guó)MDI(MechanicalDynamicsInc.)AB開發(fā)的一個(gè)履帶車輛工具箱ArV(AutomaticTrackVehicle),作為分析軍用或商用履帶式車輛各種動(dòng)力學(xué)性能的理想工具,它具有在一個(gè)模型中、多履帶系統(tǒng)、全3D能力、不同的拓樸結(jié)構(gòu)、全動(dòng)力學(xué)履帶模型以及軟、硬泥土路面接口等特點(diǎn)。基于ArrV行駛仿真系統(tǒng)可以對(duì)履帶車輛系統(tǒng)進(jìn)行性能預(yù)測(cè)、疲勞分析以及系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]。圖5所示為履帶車輛底盤在ArV中某級(jí)路面上的仿真示意圖。

已知行星架的材料為45CrNi,σ[sub]s[/sub]=8000kg/cm[sup]2[/sup]。依據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論,行星架的危險(xiǎn)端面為行星架的軸徑部位,這樣由已知的計(jì)算力矩和已知的材料特性得出行星架危險(xiǎn)斷面扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。
    扭轉(zhuǎn)許用應(yīng)力[5]為
    
    靜載荷下扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為 
    
    由靜載荷下的應(yīng)力與許用應(yīng)力相比可以得知,安全裕量較大,行星架的軸徑的危險(xiǎn)斷面應(yīng)該是滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求的。但是實(shí)際上并非如此,行星減速機(jī)在使用過(guò)程中,行星架軸徑卻出現(xiàn)了裂紋、斷裂的疲勞破壞現(xiàn)象。由于靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)不能充分反映材料在動(dòng)載荷作用下的特征,又由于履帶車輛在行軍過(guò)程中大多承受的是交變動(dòng)載荷,所以必須對(duì)行星減速機(jī)進(jìn)行動(dòng)載荷下的疲勞強(qiáng)度的分析計(jì)算,對(duì)行星架的危險(xiǎn)斷面進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。
4.2基于行駛仿真試驗(yàn)的行星架動(dòng)力學(xué)仿真研究
    由于履帶車輛的工作路面復(fù)雜多變,各種重型機(jī)械在工作過(guò)程中受到是交變動(dòng)載荷,由于目前研究手段的限制,故大多數(shù)的機(jī)械產(chǎn)品沒有進(jìn)行動(dòng)載荷下的壽命預(yù)測(cè),因此導(dǎo)致在實(shí)際使用過(guò)程中實(shí)際壽命與設(shè)計(jì)壽命相差較大的情況,要解決此類問(wèn)題,研究不同任務(wù)剖面下的交變動(dòng)載荷是進(jìn)行再設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及壽命預(yù)測(cè)的關(guān)鍵問(wèn)題。由于測(cè)試手段、試驗(yàn)時(shí)間及資金的限制,以及計(jì)算機(jī)仿真在各行各業(yè)中的廣泛應(yīng)用,基于行駛仿真試驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)各零部件進(jìn)行動(dòng)載荷情況下仿真分析成為解決上述問(wèn)題的一個(gè)有效手段,行星減速機(jī)中的行星架的例子就證明了這種方法的可行性。
    本文基于行駛仿真試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)行星減速機(jī)進(jìn)行了不同的路面、不同行駛速度的動(dòng)力學(xué)仿真,但由于篇幅有限,文中只給出其在某實(shí)驗(yàn)跑道上分別掛3擋4擋和5擋時(shí)的行駛仿真結(jié)果,并計(jì)算出在不同擋位時(shí)行星架所承受的交變動(dòng)載荷。圖6所示為掛3擋時(shí)行星架軸徑所承受交變動(dòng)載荷。
    由圖6所得的交變動(dòng)載荷的最大絕對(duì)值計(jì)算,在某一路段內(nèi)行星架的危險(xiǎn)斷面的最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力(取最大轉(zhuǎn)矩為5233N•m)

    圖7為某試驗(yàn)跑道掛4擋時(shí),行星架軸徑所承受的交變動(dòng)載荷。

    圖8為某試驗(yàn)跑道掛5擋時(shí),行星架軸徑所承受的交變動(dòng)載荷。
    由圖8所得的交變載荷的最大絕對(duì)值計(jì)算.在某一路段內(nèi)的行星架的危險(xiǎn)斷面的最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力(取最大的轉(zhuǎn)矩為10707N·m) 
    

    2)等幅載荷下,n個(gè)循環(huán)造成的損傷 
    
    變幅載荷下 ,n個(gè)循環(huán)造成的損傷 
    
    3)臨界疲勞損傷D[sub]CR[/sub]若是常幅循環(huán)載荷,顯然當(dāng)循環(huán)載荷的次數(shù)凡等于其疲勞壽命N時(shí),疲勞破壞發(fā)生,即n=N,由式(12)得到D[sub]CR[/sub]=1,對(duì)于二級(jí)或者很少幾級(jí)加載的情況下,試驗(yàn)件破壞的臨界損傷值D[sub]CR[/sub]偏離1很大。對(duì)于隨機(jī)載荷,試驗(yàn)件破壞時(shí)的臨界損傷值 D[sub]CR[/sub]在1附近[6] 。
    由Miner對(duì)疲勞損傷定義以及破壞準(zhǔn)則可以得出,行星減速機(jī)在工作過(guò)程中,由于系統(tǒng)工作任務(wù)剖面的變化,導(dǎo)致行星減速機(jī)構(gòu)件產(chǎn)生很大的動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變,行星框架危險(xiǎn)斷面承受交變載荷的作用,且這些載荷的數(shù)值雖然不一定大得使零件突然損壞,但由于它們的經(jīng)常作用,這種變幅交變載荷對(duì)行星框架疲勞損傷積累到其臨界疲勞損傷D[sub]CR[/sub]時(shí),就出現(xiàn)了行星框架在危險(xiǎn)斷面承受應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)“安全”應(yīng)力情況下就發(fā)生突然破壞的現(xiàn)象。因此確定行星減速機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中所承受的交變動(dòng)載荷,以及對(duì)動(dòng)載荷作用下行星減速機(jī)各零部件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
5結(jié)論與展望
    本文針對(duì)靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論下的行星減速機(jī)實(shí)際使用壽命與設(shè)計(jì)壽命有很大差距這一問(wèn)題,提出在行駛仿真試驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)履帶車輛行星減速機(jī)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真,以期獲得其在不同任務(wù)剖面所承受的交變動(dòng)載荷,為進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算和壽命預(yù)測(cè)提供了重要的載荷參考數(shù)據(jù)。本文對(duì)某試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行了行駛仿真試驗(yàn),結(jié)合行星減速機(jī)的虛擬樣機(jī)對(duì)不同擋位時(shí)行星架所承受的交變動(dòng)載荷進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真,并從疲勞損傷累積理論人手分析了在承受交變載荷情況下的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)最大應(yīng)力很多倍的情況下,仍然會(huì)發(fā)生疲勞破壞的原因。本文研究的基于行駛仿真試驗(yàn)基礎(chǔ)上的動(dòng)力學(xué)仿真分析,對(duì)研究在交變動(dòng)載荷的情況下的壽命預(yù)測(cè)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有極其重要的意義。
參考文獻(xiàn)
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    6姚衛(wèi)星.結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析.北京:國(guó)防工業(yè)出版社.2oo3(1)標(biāo)簽:
                                
                            
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