何建春 劉 洋
川慶鉆探工程公司川西鉆探公司 四川遂寧市
YB-900液力變矩器是鉆機動力傳遞的重要元件,變矩器輸入軸與輸入連接盤配合的鍵槽部位曾發(fā)生嚴重滾切失效現(xiàn)象(圖1)。由于損壞嚴重,整個軸面臨報廢。
鍵槽處在輸入軸的端頭,該段軸有 1∶10 的錐度,配合長度110mm,小端直徑108mm,在錐面上開有30mm×104mm的單鍵槽(圖 2)。
(1)強度校核。變矩器輸入額定功率P=708kW,變矩器輸入額定轉(zhuǎn)速v=1200r/min,則扭矩T=9550P/v=5634.5N·m。
應用inventor軟件對該軸取段(圖3)進行建模分析,可知輸入軸及鍵槽滿足實際輸入功率要求。
(2)軸端部內(nèi)外錐面的配合是否緊密和有無間隙,是軸端部上的緊固螺母來實現(xiàn)的(除加工因素外),通常錐面在緊密配合情況下,在動力輸入時,軸和連接盤是不會發(fā)生相對位移的;但是若出現(xiàn)保險鐵皮失效后,定位螺母松動就會在變矩器運轉(zhuǎn)振動的情況下出現(xiàn)松動,從而導致軸與連接盤由靜配合變?yōu)閯优浜?;此外,一般情況下鍵與連接盤的配合都是間隙配合,當軸與連接盤傳遞扭矩時會一個微小的相對角位移α(圖4),在傳遞動力的過程中,鍵就會對鍵槽的一側(cè)進行擠壓、碰撞。
圖1 鍵槽部位滾切失效
圖2 輸入軸端錐面鍵槽
圖3 inventor軟件建模
(3)為分析直觀,將輸入軸工作錐面的中部截面作為參考截面,如圖5。
經(jīng)對實物測繪,圖5中 R為此斷面軸半徑,R=57mm,H為此斷面鍵槽到軸中心距離,H=44mm,b為鍵槽寬度,b=30mm,那么圖5中鍵槽側(cè)面高度S=10.99mm,鍵槽側(cè)面軸部有效實體寬度t=21.24mm,則軸鍵槽能承受的擠壓應力σp可用式(1)計算。
式中 σp——軸鍵槽承受的擠壓應力,MPa
T——傳遞的扭矩,N·mm
圖4 軸與連接盤相對角位移
圖5 輸入軸錐面中部截面
d——中間斷面軸徑,mm
S——鍵槽側(cè)面高度,mm
L——鍵的工作長度,L=89mm
(4)輸入軸與連接盤有相對角位移后,作用在輸入軸鍵槽右側(cè)的應力就會由面接觸變?yōu)樽饔迷阪I槽頂部的線接觸。這時鍵槽的右側(cè)面就形成了一端固定一端受力的簡支梁結(jié)構(gòu),那么其作用在鍵槽右側(cè)面的應力σ可由式(2)計算。
式中 σ——鍵槽右側(cè)面的應力,MPa
P——徑向作用力,kN。P=T/(d/2)=98.85
w——材料截面模量,mm3,w=St2/6=8.26×10-6
由計算結(jié)果可知σ>σp,此時的輸入軸鍵槽右側(cè)面將在應力σ的作用下產(chǎn)生一個初變形,當輸入軸工作在變載工況時,鍵與連接盤即會對鍵槽左側(cè)面產(chǎn)生沖擊應力。隨著沖擊次數(shù)的增加,鍵槽右側(cè)面沿水平方向的變形也在增加,最終導致鍵槽單邊嚴重破壞,使軸失去修復價值。
通過以上分析可以看出,為了消除類似錐度配合的鍵槽側(cè)面損壞,必須確保緊固螺母緊固,使錐面配合緊密無間隙,避免鍵與軸及連接盤,由靜配合變?yōu)閯优浜?,從而避免產(chǎn)生沖擊載荷,造成鍵槽損壞。