葉海舟
(銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司安慶銅礦, 安徽銅陵市 246231)
軸聯(lián)接的有限元分析
葉海舟
(銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司安慶銅礦, 安徽銅陵市 246231)
針對(duì)礦山某潛孔鉆機(jī)中減速箱齒輪傳動(dòng)軸的平鍵聯(lián)接進(jìn)行靜力有限元分析,得到軸和鍵的應(yīng)力分布,并說(shuō)明鍵的失效主要以擠壓失效為主,為其校核和設(shè)計(jì)選型提供依據(jù)。
傳動(dòng)軸;平鍵聯(lián)接;ANSYS分析;應(yīng)力分布
機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中,轉(zhuǎn)速或扭矩是通過(guò)齒輪變速箱將原動(dòng)機(jī)功率傳遞到傳動(dòng)軸上,再分配到與傳動(dòng)軸聯(lián)接的齒輪或聯(lián)軸器等部件。其中鍵聯(lián)接是主要的聯(lián)接形式,其應(yīng)用主要有2個(gè)方面:一是應(yīng)用于機(jī)械傳遞、連接軸與帶轂零件(如齒輪等),以實(shí)現(xiàn)軸向固定傳遞扭矩,在附加軸向固定還可以傳遞軸向力;另一方面,鍵還可以作為其他結(jié)構(gòu)的連接件或輔助連接件,如定位裝置、螺紋連接中卸載用的抗剪裝置等[1]。在礦山機(jī)械的重載工況下,需傳遞的扭矩更大,鍵和鍵槽的聯(lián)接更加需要重視。
本文以礦山某型號(hào)潛孔鉆機(jī)回轉(zhuǎn)頭傳動(dòng)軸的普通平鍵聯(lián)接為例,用ANSYS有限元軟件進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算,對(duì)鍵和鍵槽的接觸進(jìn)行探討分析,為其校核和設(shè)計(jì)選型提供依據(jù)。
圖1為某型號(hào)潛孔鉆機(jī)齒輪軸減速箱中的一根傳動(dòng)軸的尺寸。選用25mm×14mm×75mm的普通A型平鍵聯(lián)接,液壓馬達(dá)動(dòng)力通過(guò)減速箱軸變速后通過(guò)平鍵將1.6kN·m扭矩傳到與之相連的輪轂上。因模型相對(duì)簡(jiǎn)單,在ANSYS中采用自下而上的建模方式,生成有限元模型,如圖2所示。
軸及平鍵材料參數(shù)見(jiàn)表1。網(wǎng)格單元選用8節(jié)點(diǎn)solid45實(shí)體單元,因根據(jù)軸的實(shí)際尺寸進(jìn)行建模,設(shè)定網(wǎng)格大小后自由劃分網(wǎng)格。在此聯(lián)接中,鍵的2個(gè)側(cè)面與軸的鍵槽側(cè)壁接觸,通過(guò)擠壓來(lái)傳遞原動(dòng)機(jī)的扭矩。上下和前后4個(gè)工作面則為非工作面。選用接觸單元Target170和Contact174在鍵和鍵槽接觸工作面建立接觸對(duì),可以比較精確地模擬接觸擠壓情況。
圖1 傳動(dòng)軸的二維尺寸
圖2 有限元三維模型
表1 材料參數(shù)
實(shí)際工況中階梯軸是動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)的。本文模擬的是剛開(kāi)始傳遞扭矩的瞬時(shí)工況,即通過(guò)減速箱傳動(dòng)軸的平鍵剛把扭矩傳過(guò)去,而輪轂仍處于靜止時(shí)的受力情況,此時(shí)受力應(yīng)該是最大的。位移約束條件為:軸的中心線全約束;鍵與輪轂接觸面全約束。載荷施加條件為:笛卡爾坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為柱坐標(biāo)后,將軸傳遞的扭矩按照F=2 Me/D轉(zhuǎn)換為總的切向力,按節(jié)點(diǎn)力的方式加載到2個(gè)軸端面最外圈的節(jié)點(diǎn)上。有限元網(wǎng)格和加載模型如圖3所示。
由圖4中總體應(yīng)力分布可以看出,顯然軸鍵槽與鍵的應(yīng)力強(qiáng)度均小于各自材料的許用應(yīng)力,處于材料的安全范圍內(nèi)。最大應(yīng)力出現(xiàn)在鍵與鍵槽以及輪轂的接觸面。相對(duì)接觸面的高應(yīng)力,軸其他的地方則應(yīng)力相對(duì)很小。由圖5中平鍵的應(yīng)力分布可以明顯看出,鍵上形成有明顯的應(yīng)力梯度,應(yīng)力集中出現(xiàn)在平鍵工作面的接觸部位,隨著離接觸面的距離增大而減小,且可以預(yù)測(cè)隨著擠壓力的增加,高應(yīng)力區(qū)將由接觸面向內(nèi)部擴(kuò)散,最終鍵出現(xiàn)大的擠壓變形,即鍵被壓潰[2]。
圖3 有限元網(wǎng)格和加載模型
圖4 軸鍵連接的總體應(yīng)力強(qiáng)度
圖5 平鍵的應(yīng)力強(qiáng)度
采用礦山機(jī)械中的實(shí)例數(shù)據(jù),對(duì)鍵軸聯(lián)接的接觸問(wèn)題用ANSYS有限元軟件進(jìn)行靜力分析,得到鍵和鍵槽接觸面上的接觸應(yīng)力大小及變形趨勢(shì),為預(yù)測(cè)軸鍵的失效奠定了基礎(chǔ),有較為實(shí)用的工程應(yīng)用價(jià)值。
[1]盧 洋,劉靜娜.基于ANSYS的鍵聯(lián)接有限元分析[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新,2010,23(5):78-80.
[2]劉瑞堂.機(jī)械零件失效分析[M].哈爾濱:哈爾濱大學(xué)出版社,2003.
2011-12-26)
葉海舟(1968-),男,安徽桐城人,工程師,從事設(shè)備管理工作。