ANSYS的内啮合齿轮泵壳体有限元分析及优化

基于ANS YS的内啮合齿轮泵壳体有限元分析及优化李宏伟,杨成The fi n ite ele ment anal ysis and optm i izati on of shell fori n ternal gear pu mp based on ANSYSL IH ong-w e,i YANG Cheng(济南大学机械工程学院,山东济南250022)摘要:该文利用ANSYS有限元软件对内啮合齿轮泵壳体进行了强度和刚度分析,首先找出了壳体的应力主要集中区和变形量较大的位置,为壳体的设计提供了参考;其次,对壳体进行了优化,在保证壳体的强度达到设计要求的情况下,增强了泵壳的刚度,改善了泵的整体性能,减少了材料的使用,降低了泵的重量,达到节约材料资源的目的。

关键词:内啮合齿轮泵;壳体;有限元;ANSYS中图分类号:TH137文献标识码:B文章编号:1000-4858(2011)02-0032-04内啮合齿轮泵是将机械能转化成液压能的一种能量转换装置,为液压系统提供有压力的油液,是液压传动系统中常用的动力元件。

内啮合齿轮泵有很多优点:它的尺寸小、结构比较紧凑、重量轻。

内啮合齿轮泵齿轮同向旋转,因此齿面的相对滑动速度较小,磨损比较轻微,使用的寿命长,噪声和压力脉动也都比较小。

由于流量脉动小,内啮合齿轮泵在电液比例控制系统和室内机械,特别是舰船等要求噪音很低的场合有着广泛的应用。

内啮合齿轮泵的转速可以达到较高的值,使得内啮合齿轮泵的容积效率比较高。

由于以上这些优点,内啮合齿轮泵在今后的机械工业中会有更大的需求和广阔的发展应用前景。

由于国内近几年才开始发展和研究耐高压的内啮合齿轮泵,缺乏对内啮合齿轮泵设计参数、工作性能等方面的基础分析研究,使得目前国内的内啮合齿轮泵在输出压力、容积效率等参数和性能的稳定性方面与国外的产品还有较大的差距,且我国企业生产的内啮合齿轮泵产量少、品种少、规格不齐全[1]。

壳体是内啮合齿轮泵的重要部分,壳体的强度和刚度对于齿轮泵的质量和工作性能有着非常重要的影响,通过有限元分析模拟壳体在真实工况下的应力、变形等情况,对提高产品的设计水平和设计质量提供一定的参考。

对泵壳进行优化,在满足强度要求的情况下,达到了增强刚度,减轻重量,节省材料,提高经济效益的目的。

收稿日期:2010-07-18作者简介:李宏伟(1955)),男,山东昌邑人,教授,主要从事液压系统设计、电液比例控制技术、液压系统的计算机控制技术方面的教学与研究工作。

1内啮合齿轮泵的工作原理如图1所示,内啮合齿轮泵的主体结构由一对内啮合的渐开线齿轮组成,采用轴向间隙和径向间隙自动补偿的密封装置,提高了齿轮泵的容积效率,输出压力和输出功率也随之得到大幅度提高。

在渐开线内啮合齿轮泵中,小齿轮和内齿圈之间要安装一对活动的月牙块3和密封棒4,以便把吸油腔与压油腔隔开。

当小齿轮按某一方向旋转时,内齿轮也以相同的方向旋转,轮齿脱开啮合的部分,齿间容积逐渐增大形成真空,油液在大气压力作用下,进入吸油腔,填满各齿间,1.小齿轮2.内齿轮3.月牙块4.密封棒图1内啮合齿轮泵工作原理图IPV4而轮齿进入啮合的地方,齿间容积逐渐缩小,形成高压腔,油液被挤压出去[2]。

2 实体模型建立在内啮合齿轮泵的设计中,利用Solidwo r ks 软件建立了内啮合齿轮泵的各零部件的实体模型,并虚拟装配成整机如图2所示。

其中壳体、齿轮轴、齿圈、配油盘、支撑盘等是内啮合齿轮泵的关键零部件,它们的强度和刚度是影响齿轮泵性能的重要因素。

本文仅以壳体为例来研究基于ANSYS 的有限元分析来对壳体进行优化。

图2 内啮合齿轮泵实体模型在内啮合齿轮泵的实体模型中,可以直接导出壳体的实体模型。

壳体实体模型如图3所示。

图3 壳体实体模型3 基于AN S Y S 的壳体分析步骤由于内啮合齿轮泵在正常工作时,高压油区和低压油区处于稳定状态,压力保持稳定,所以壳体的强度和刚度分析属于ANSYS 结构分析中的静力分析问题。

典型的ANSYS 结构分析过程包括3个步骤。

创建有限元模型,包括创建或导入几何模型、定义单元类型、定义单元实体常数、定义材料属性、划分有限元网格。

施加载荷进行求解,包括施加约束条件、载荷,然后进行求解计算。

1)创建有限元模型将在So li d w or ks 中完成的壳体实体模型保存为*.X _T 格式的文件,然后导入到ANSYS 中。

选用线性单元SOL I D 95并采用ANSYS 智能划分网格方式,选用2级精度对壳体划分网格。

泵壳体的材料为球墨铸铁QT500-7,它的密度为Q =7300kg /m 3、重力加速度g =9.8m /s 2、弹性模量E =1.48@1011P a 、泊松比u =0.25、抗拉强度R b =500N /mm 2=500M P a 、屈服点R s =320M Pa 。

根据对内啮合齿轮泵的压力分区的研究,低压区的压力为负值,对于壳体的强度和刚度几乎无影响,可以忽略不计;而高压区则为壳体内侧右端的部分圆弧区。

由于ANSYS 在一个面上只能施加一种载荷压力,为了实现在部分圆弧区加载,这里将高压圆弧区的面在高低压分界处切开很薄的小口,这样就能将需要加载的高压部分面分离出来[3]。

这样划分网格后的有限元模型如图4所示。

图4 壳体有限元模型2)施加载荷并进行求解计算ANSYS 的载荷主要有六大类:位移约束、表面的分布载荷、力、惯性载荷、体积载荷、耦合场载荷。

在对壳体施加边界约束时,考虑到端盖在功能上与壳体一起形成低压油腔与高压油腔;在约束关系上,端盖通过壳体的4个连接螺栓孔对壳体的自由度进行约束,因而对安装固定螺孔内部施加全约束(ALL DOF),在壳体的4个连接螺栓孔施加UX 、UY 、UZ 三个方向的约束。

考虑到内啮合齿轮泵的压力分区,因而加载时只在高压油区的内壁及高压油出口通道内壁施加25M Pa 的压力载荷(I G P4系列泵此尺寸下的最高压力),模拟齿轮泵在25M Pa 压力载荷下的工况。

施加载荷和约束后,选择相应的命令,ANSYS 开始求解计算。

3)查看求解结果ANSYS 计算完成后,通过后处理器来查看壳体的变形情况和等效应力云图。

4 结果分析通过ANSYS 后处理器,得到壳体在载荷下的等效应力云图和合位移变形云图分别如图5和图6所示。

图5 壳体等效应力分布图由图5可以看出,壳体的等效应力主要分布在壳体的右半侧,其中在高压区受力面月牙槽内侧、高压油图6 壳体合位移分布图出口通道出口处的应力比较大,同时右侧两个螺栓孔的应力也较大,最大应力发生在出油口处以及月牙槽内侧的小部分,大小为R =122MPa ,此应力值远小于材料的屈服极限值320MPa 和抗拉强度值500M Pa 。

材料的许用应力R b =500M Pa ,壳体的安全系数G=R b /R =500/122=4.10,计算结果表明泵壳体设计的强度完全能满足使用要求。

由图6可以看到,壳体的位移变形沿着高压面中心向上、下两端逐渐减少,最大变形发生在高压面的中心位置,变形量为0.0242mm,能够满足齿轮泵的工作要求。

5 壳体优化由于国内对渐开线式内啮合齿轮泵的基础研究比较少,而且国内产品还主要在发展和完善阶段,缺少对主要部件的研究及优化。

传统的设计理论与方法通常是运用一些经验公式或者通过一些估算来计算产品的设计参数,如果一批产品中有个别由于铸造质量等原因在设计要求的寿命内提前失效,就只能加大安全系数,从而使设计过于保守。

如今全社会都在提倡和推行节能减排、节约资源、节省能源,我们对壳体通过一系列的尺寸和结构优化后用ANSYS 分别对它们进行有限元分析强度和刚度,发现可以将壳体的厚度减少2.5~3mm 进行优化,同时将高压油出口处的平面厚度增加,优化后的三维模型图如图7所示。

图7 优化后壳体实体模型对壳体的原来模型和优化后的模型分别用So lid -w orks 的质量特性功能来测量这两个实体模型的重量。

得出优化后的齿轮泵壳体所使用的材料的重量减少了1.189kg ,壳体优化后重量比原壳体减少了7.4%。

参照原壳体有限元分析的步骤,对优化后的壳体再用ANSYS 进行网格划分(同原壳体采用相同的2级网格精度),同样加载25M Pa 后进行运算求解,计算完成后通过ANSYS 的后处理器得到优化后壳体的新的等效应力图和合位移分布云图分别如图8和图9所示。

图8优化壳体等效应力分布图图9 优化壳体合位移分布图由图8以看出,优化后的壳体的等效应力分布范围和渐变趋势和原壳体的应力分布大致相同,最大等效应力发生在出油口通道出口处,其值为137M Pa ,此值小于材料的屈服极限和抗拉强度值。

新的安全系数G =500/137=3.65,计算结果表明优化后的壳体在强度上能够满足设计要求。

由图9可以得出,壳体的最大变形量在高压面中心部分,最大变形量的值与原壳体的变形量相比减少了0.0025mm,最大值为0.0217mm ,能够满足设计要求。

综上所述,在对壳体进行优化之后,在其重量减少7.4%的情况下,还能使壳体的最大变形量减少1013%,因为壳体的最大变形量对于泵的齿轮与齿圈的啮合精度和输出压力等工作性能影响比较大。

优化后使得壳体的刚度得到了较大的改善,同时可以降低泵的噪声,延长泵的使用寿命,使泵的整体性能有较大的改善。

而对于优化后壳体的强度而言,其安全系数仍然比较大,能达到相关要求。

说明对泵壳的结构优化是比较合理的。

优化后的壳体重量比原壳体减少了1.189kg ,以一个年产30万台的齿轮泵厂为例,一年可节约材料356.7,t 能产生较好的社会经济效益。

在对壳体进行一系列优化的时候,可以利用So li d w or ks 软件几何实体模型的全相关性,进行不断调整内啮合齿轮泵壳体的尺寸,直到分析时强度和刚度符合要求。

在调整尺寸后进行有限元分析时,材料的性能参数,模型划分网格的精度,模型的约束条件,加载的载荷等保持不变。

经过一系列的优化和分析可以发现:如果进一步减少壳体的厚度(比如将厚度减少3 ~3.5mm)时,再用ANSYS进行有限元分析发现壳体右边两个螺栓孔的应力比较大,同时继续增加右边出口平面的厚度时,最大变形量的减少非常少,而最大等效应力几乎没有变化,这主要是因为此时最大应力发生在月牙槽的内侧,说明进一步优化壳体的尺寸意义不大。

6结束语本文运用ANSYS软件的有限元分析功能对内啮合齿轮泵壳体的强度和刚度进行了分析,找出了壳体的应力主要集中区和变形量较大的位置,为壳体的设计提供了参考;然后对壳体进行了优化,在保证壳体的强度达到设计要求的情况下,增强了泵壳的刚度,减少了壳体变形,改善了泵的整体性能,减少了材料的使用,降低了泵的重量,达到节约材料资源的目的,有较好的社会经济效益。