采棉头齿轮箱中间轴系统的建模及有限元分析

0 引言

    我国作为棉花生产大国，随着采棉机的广泛推广和技术改进，机采棉含杂率问题和棉花质量等级问题已基本得到解决。中间轴系统是采棉机传动系统的重要部件，其作用是把电动机动力经中间轴系统齿轮箱变速传到采棉头滚筒和摘锭上。

    采棉头齿轮箱中间轴系统的主要作用是传递电动机的动力，把动力传递给采摘滚筒和摘锭，保证采棉机的正常工作。中间轴的结构参数设计、加工制造工艺流程及装配时的精度都会影响中间轴的可靠性。在工作过程中，采棉机中间轴所受的应力是随采摘滚筒负载大小变化的交变应力，如果中间轴长时间处在交变应力的作用下，容易产生疲劳破坏，而且破坏部位常发生在应力集中的部位。因此，在正常工作状况下，受力的不稳定及突变都会引起中间轴的失效。一旦中间轴发生失效断裂，就会影响到中间轴上其它零部件的正常工作状况，降低中间轴系统工作精度，缩短其它零部件的使用寿命。为此，针对以上问题，应用三维数字建模、虚拟装配和ANSYS Workbench有限元软件，对采棉机中间轴系统中间轴进行有限元仿真分析。

1 中间轴系统的工作原理

    根据研究可知，压力弹簧是通过一定预压紧力装配在中间轴系统中，大齿轮的作用是把电动机的动力传递给中间轴和摘锭，并带动离合连接盘运动，离合连接盘再带动小齿轮转动，小齿轮把动力传递给采摘滚筒。当采摘滚筒出现堵塞或负载过载时，滚筒所需的动力增大，需要电动机输出更大的功率。大齿轮功率增大，传递给离合连接盘扭矩增大，此时轴向分力增大。当轴向分力大于正常工作弹簧压紧力时，离合连接盘脱开，大齿轮空转，切断动力传递，保护小齿轮及后面的传动装置，离合连接盘脱开，起到过载保护的作用。

2 中间轴系统的数字建模

    三维设计软件主要采用参数化和特征造型技术进行建模，能方便、快捷地创建和修改大量复杂形状的实体，从而可大大缩短零件设计周期。运用对采棉头齿轮箱中间轴系统进行三维数字建模，可以更方便设计人员利用其Feature-Manager直观地修改。

    2.1 零件的三维数字建模

    中间轴是采摘头系统的主要工作部件，其主要作用是支撑齿轮与轴承等零部件，以及传递运动和动力。中间轴的三维数字建模需要根据中间轴的不同部位设定基准面进行拉伸、切除、圆角、倒角和钻孔等特征指令，进行三维数字建模。中间轴的三维建模如图1所示。