Lightweight of welded box for marine gearbox based on static-dynamics
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摘要: 利用齿轮箱系统分析软件MASTA和大型通用CAE软件MSC Patran&Nastran, 建立船用齿轮箱啮合分析模型和箱体有限元模型, 分析对比多工况下齿轮箱箱体载荷, 并进行结构效能分析评价。基于应力场平衡原理, 结合强度和刚度的约束, 以减少冗余材料为目标, 设计箱体的轻量化结构, 通过对轻量化箱体的模态分析, 避免了齿轮箱系统的共振。目前, 应用此方法进行箱体轻量化的大功率船用齿轮箱已经量产, 轻量化后的齿轮箱箱体重量降低了19%, 达到轻量化的目的。Abstract: Using the gearbox system analysis software MASTA and the large-scale general CAE software MSC Patran & Nastran, the meshing analysis model and the box finite element model of the marine gearbox are established.The load of the gearbox under multiple loading cases is analyzed and compared, and the structural efficiency are analyzed and evaluated.Based on the principle of stress field balance and the constraint of strength and stiffness, the lightweight structure of the box is designed to reduce redundant materials.Through the modal analysis of the lightweight box, the resonance of the gearbox system is avoided.At present, the high power marine gearbox with this method has been mass-produced, and the weight of the gearbox box has been reduced by 19% after lightweight, so as to achieve the purpose of lightweight.
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Key words:
- marine gearbox /
- meshing analysis /
- structural efficiency /
- lightweight /
- modal analysis
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表 1 齿轮箱各级齿轮传动基本设计参数表
齿轮 齿数Z 模数Mn/mm 螺旋角β/(°) 齿/mm 中心距/mm Z1 52 25 12 220 1 018 Z2 26 25 12 230 Z3 20 20 8 500 1 018 Z4 79 20 8 490 Z5 20 20 8 500 Z6 37 22 12 200 850 Z7 37 22 12 200 
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表 2 4种工况下各轴承座孔载荷(含螺旋桨推力)
轴承座孔 正转顺车 反转顺车 正转倒车(倒车) 反转倒车(倒当顺) Fx/N Fy/N Fz/N Fx/N Fy/N Fz/N Fx/N Fy/N Fz/N Fx/N Fy/N Fz/N 轴承a -244 600 -87 789 108 214 176 564 -72 718 -108 214 -244 600 -87 789 108 214 176 564 -72 718 -108 214 轴承b -298 477 50 166 186 308 -381 136 -298 477 50 166 186 308 -381 136 轴承g 140 795 -42 947 -89 756 131 616 287 828 224 424 -5 101 -135 755 轴承h 402 283 4 439 -108 214 -273 116 246 107 108 214 427 698 135 083 -21 802 -185 323 115 463 21 802 轴承m -82 360 -274 032 -146 369 253 879 轴承n -90 088 -143 079 -86 412 -26 080 125 039 86 412 轴承e -313 230 299 287 457 682 7 053 轴承f -289 726 339 708 434 179 -54 839 轴承c 117 710 轴承d -117 710 轴承k 289 726 350 443 -434 179 -44 103 轴承l 313 230 288 551 -457 682 -3 683 轴承i 117 710 轴承j -117 710 轴承o 862 290 轴承p -1 282 290 -1 517 710 -1 282 290 轴承q 260 322 -481 833 -404 774 40 710 -342 633 -302 680 487 085 -138 443 轴承r 342 633 -267 419 -487 085 -103 182 -260 322 -446 571 404 774 75 971
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表 3 正转倒车和反转倒车(倒当顺)工况最大应力和位移值
工况 最大等效应力/MPa 最大综合位移/mm 最大X向位移/mm 最大Y向位移/mm 最大Z向位移/mm 正转倒车 58.3 0.073 7 0.071 6 -0.060 0 0.039 0 反转倒车 62.6 0.082 4 -0.080 4 -0.042 3 -0.059 2
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表 4 优化变量参数
输入变量 描述 变动范围/mm x1 箱体壁厚 35~25 x2 上中箱体结合面板 60~40 x3 中下箱体结合面板 65~45 x4 ϕ460 mm轴承孔处轴承座外径 700~600 x5 ϕ490 mm轴承孔处轴承座外径 750~650 x6 ϕ495 mm轴承孔处轴承座外径 700~600 x7 ϕ640 mm轴承孔处轴承座外径 850~750
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表 6 优化后正转倒车和反转倒车(倒当顺)工况最大应力和位移值
工况 最大等效应力/MPa 最大综合位移/mm 最大X向位移/mm 最大Y向位移/mm 最大Z向位移/mm 正转倒车 48.1 0.082 4 0.080 0 -0.061 2 0.041 0 反转倒车 65.2 0.091 4 -0.089 8 -0.046 4 -0.063 4
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表 7 箱体前10阶模态频率
模态阶数 固有频率f/Hz 最大位移/mm 振型 1 106.46 2.800 下箱体膨胀(Y向) 2 126.87 0.619 上箱体摆动(Z向) 3 170.89 1.190 下箱体膨胀(Z向) 4 173.51 0.725 下箱体膨胀(Z向) 5 188.36 3.270 下箱体膨胀(Y向) 6 193.35 2.010 下箱体膨胀(Y向) 7 199.59 1.490 上箱体膨胀(Y向) 8 202.91 2.570 上箱体膨胀(Y向) 9 231.47 3.520 下箱体扭曲(内筋) 10 246.45 4.330 下箱体扭曲(内筋)
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表 8 转频和啮合频率
Hz 工况 输入转频 传动转频 输出转频 输入级啮频 传动级啮频 输出级啮频 顺车 2.88 1.46 149.9 115.3 倒车 2.88 5.77 1.46 149.9 213.4 115.3
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表 9 联轴器跳动值
部件 径向跳动值/mm 端面跳动值/mm 测量值 许用值 测量值 许用值 输入联轴器 0.12 ≤0.15 0.22/ϕ1 030 ≤0.10/ϕ100 输出联轴器 0.03 ≤0.06 0.05/ϕ920 ≤0.03/ϕ100
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图(11) / 表(10)
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