如何设计一种大型筒体粪污发酵装置的齿轮组合？

目前，畜禽粪污一体化发酵方式可高效处理畜禽粪污。大型筒体粪污发酵装置是畜禽粪污一体化发酵当中应用相当广泛的一种装置。大型筒体粪污发酵装置采用齿轮传动的方式。齿轮传动具有准确性高、效率高、结构紧凑、良好的平稳性等优点 。

鉴于此，本文设计了一种齿根弯曲疲劳强度更大、工作可靠性更高、运转更平稳的齿轮。

一、总体设计

对于齿轮传动的大型筒体粪污发酵装置，需满足：一是齿轮的可靠性，齿轮应具有足够的齿根弯曲疲劳强度，以保证齿根不会因启动运转时突加载荷的作用而造成轮齿齿根处的折断，导致机构无法正常运转；二是齿轮的传动平稳性，要保证筒体旋转过程是连续平稳的。

目前大型粪污发酵装置所使用的传动方式有带传动、链传动等。本文所设计的齿轮传动具有更长的使用寿命和更好的传动平稳性、连续性，通过对齿轮参数的设计大大提高了齿轮的使用性能，降低了机构的维修成本且极大地提高了工作效率。

（一）齿轮设计尺寸

本文所设计的齿轮是与齿宽 =60mm 的大齿轮相啮合，该 大 齿 轮 的 尺 寸 参 数 是 齿 数 =198， 模 数 =12mm, 压 力 角=20° , 分度圆直径 =2376mm。

基于此，本文设计的齿轮尺寸参数为齿数 =17，模数 m=12mm, 齿宽 =100mm, 分度圆直径 =204mm, 齿顶圆直径 =228mm，齿根圆直径 =124mm，压 力 角 =20 °， 齿 顶 处 圆 角 半 径 为 r=2mm，齿轮孔半径R=110mm，键槽宽 e=28mm，键槽深 l=116.4mm。

（二）齿轮材料的选择

齿轮的失效形式主要有轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿面塑性变形 [4]。故所选的材料应满足高强度、高韧性、齿根弯曲强度大、齿面接触疲劳强度大等特点。本文所设计齿轮采用的材料为淬火后的40Cr。通过 Solidworks2016软件材料选项界面中的自定义材料加载材料库，然后找到所用材料并应用，见图1。

（三）齿轮的受力分析

齿轮轮齿主要承载的力是启动时所要克服的筒体机构与托着筒体转动的托轮之间的滚动摩擦力。筒体机构和粪污的总质量 m 总 =11000 kg。筒体在托轮上旋转，筒体与托轮接触部位的材料均属于低碳钢，低碳钢与低碳钢之间的滚动摩擦系数为0.005。
因此本文所设计的齿轮所承受的力为：G=m 总·g （1）F 摩擦力 =0.005G （2）
根据式（1）、（2）计算可得 ：F 摩擦力 =550N。

由此可知，齿轮需要给予筒体 550N 的力才能使筒体机构启动时产生转动，即作用在本文所设计的齿轮轮齿上的力为 Fn=550 N。为了保证设计齿轮的可靠性，本文在分析时将550 N 的力全部加在齿轮的一个轮齿上进行分析计算。

此时力Fn 作用在齿顶处与齿轮轮齿径向截面轴线垂直的直线的夹角为γ=29.690°，如图2所示。

二、基于Solidworks2016的零部件设计分析

本文采用Solidworks2016 软件有限元分析模块对齿轮进行应力、位移、应变的分析。

（一）齿轮的有限元模型

齿轮材料采用40Cr，该材料密度为 ρ=7.87×103 kg/m3 ，弹性模量 E=2.11 GPa，泊松比 μ=0.277。考虑齿轮安装情况及工作情况，根据齿轮的设计参数确定齿轮的实体结构模型如图3所示。

（二）定义齿轮自由度与施加载荷

齿轮最容易发生轮齿齿根折断的情况是在启动时齿轮克服筒体与托轮之间的滚动摩擦力那一瞬时。在启动的那一时刻可以将齿轮的自由度视为零。所以采用夹具功能约束了齿轮的轴孔和键槽的各个面使其自由度为零。

其约束情况如图4所示。经上述分析知，作用在轮齿齿顶附近的均布载荷为550 N。故在外部载荷选项上输入550 N 的力，且选择该力的作用方向为法向，其受力情况如图5所示。

（三）齿轮的网格划分

模型的网格划分质量的好坏影响着计算结果的精度。本文只对单齿进行受力分析，因此本文应用网格控制对受力作用的轮齿进行了较密集的网格划分，见图6。对齿轮非受力部分采用一般密度的网格划分。最终的网格划分结果见图7。

（四）静力学分析的结果

通过运用 Solidworks2016 软件有限元分析模块对齿轮进行静力分析，得到齿轮的应力图如图8、图9所示，位移图如图 10、图 11 所示，应变图如图 12、图 13 所示。

由应力图可知轮齿受力处的应力最大，为10.97MPa，齿根处的应力约为3.1MPa。由位移图可知，轮齿的最大位移发生在轮齿受力处，最大位移约为5.889×10-4 mm，轮齿齿根部发生的最大位移约为1.5×10 -4 m m 。

轮齿的最大应变发生在受力处，其值为2.653×10-5，齿根处的最大应变约为1.2×10-5。