江偉，鞠俊

（合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009）

0 引言

針對機械過載的保護，傳統(tǒng)的剪切銷式安全聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單，但由于銷釘?shù)牟牧蠌姸?、制造誤差以及疲勞的影響，工作效率不高，使用壽命有限。新型的液壓安全聯(lián)軸器可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剪切銷式聯(lián)軸器。新型的液壓安全聯(lián)軸器安裝和拆卸方便，不易擦傷配合表面，且傳遞扭矩大、對中性好。正是由于這些優(yōu)越性，液壓安全聯(lián)軸器得到廣泛應(yīng)用，具有很好的使用價值。本文以SR 液壓安全聯(lián)軸器為研究對象，主要對其內(nèi)套及中間套進行有限元的力學(xué)分析，分析其配合接觸在高壓油作用下的形變和應(yīng)力，理論值與實際值的比較，為設(shè)計液壓安全聯(lián)軸器內(nèi)套和中間套壁厚提供了重要的理論依據(jù)和設(shè)計基礎(chǔ)。

1 SR 液壓安全聯(lián)軸器工作原理

圖1 SR 型液壓安全聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)圖

SR 型液壓安全聯(lián)軸器具有安全保護裝置，其機構(gòu)主要由剪切環(huán)、安全管、聯(lián)接套外套、油腔、聯(lián)接套內(nèi)套、中間套、軸套、傳動軸和注油口組成，當外套緊套在內(nèi)套的外表面時，自右側(cè)螺孔向環(huán)槽內(nèi)泵入高壓油，在內(nèi)外套配合錐面之間形成高壓油膜（形成徑向油壓）。聯(lián)接套內(nèi)套向內(nèi)壓縮抱緊中間套，中間套同時向內(nèi)變形壓縮抱緊軸套，也就是與傳動軸抱緊，可以實現(xiàn)同軸線的兩根軸（主動軸和從動軸）的共同回轉(zhuǎn)以及運動和轉(zhuǎn)矩的傳遞。

高壓油的壓力將內(nèi)套緊壓在中間套表面上使中間套和軸配合，徑向油壓也作用在外套的內(nèi)壁，使外套徑向擴張，徑向油壓增大，中間套在內(nèi)套力作用下緊抱在軸套上，內(nèi)外套和中間套與傳動軸之間有著很大的軸向摩擦力，液壓安全聯(lián)軸器通過這些摩擦力作用傳遞扭矩。

2 理論計算分析

2.1 理論計算基礎(chǔ)

根據(jù)彈性力學(xué)［5］規(guī)定，工程實際中把厚度與中面最小曲率半徑的比值大于1/20 的殼體稱為厚殼。因此本文中做了以下假設(shè)：1）液壓安全聯(lián)軸器的內(nèi)套和中間套配合在高壓油的作用下，內(nèi)套和中間套配合可視為一個整體，即為厚壁圓筒問題。2）內(nèi)套和中間套直接接觸面上的接觸壓力均勻分布，且軸向壓力影響忽略不計。依照短厚壁圓筒理論，利用有限元對聯(lián)軸器的聯(lián)接套進行分析。

2.2 建立數(shù)學(xué)模型

已知液壓安全聯(lián)軸器內(nèi)套厚度t=6 mm，曲面半徑R1=160 mm，內(nèi)套長度L1=170 mm，中間套外徑R2=154 mm，厚度h=8 mm，長度L2=180 mm，高壓油壓力q=40 N/mm2，彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.27，材料的接觸摩擦因數(shù)MU=0.18，材料密度ρ=7 800 kg/m3。

圖2 厚壁圓筒理論模型

當油壓P 開始產(chǎn)生徑向壓力使得中間套和軸套配合，傳遞扭矩，聯(lián)接套內(nèi)套和中間套視為整體，即厚壁圓筒問題，此處b 為內(nèi)套外徑，a 為中間套內(nèi)徑，對于厚壁圓筒（圖2），在彈塑形力學(xué)里面，位移分量為：

彈性極限壓力為：

由第三強度理論得到的當量應(yīng)力Tresca 應(yīng)力為：

由Mises 屈服準則可知：

最大壓力P=σh=

下面分兩種安裝情況計算聯(lián)接套在高壓油作用下的變形（內(nèi)套和中間套視為一整體）：

1）假設(shè)內(nèi)套和中間套兩端固定［6］，即邊界條件為撓度和轉(zhuǎn)角均為0°，相應(yīng)的Mises 應(yīng)力為

接觸壓力σh=33.062 MPa，變形u=-0.356 2 mm。

圖3 工況1 下的接觸應(yīng)力云圖

圖4 工況2 下的接觸應(yīng)力云圖

2）假設(shè)內(nèi)套一端固定一端簡支，相應(yīng)的Mises 應(yīng)力為

Tresca 應(yīng)力為（σ1-σ3）=701.02MPa。接觸壓力σh=38.162MPa，變形u=-0.361 2 mm。

3 利用ANSYS 對聯(lián)軸器內(nèi)套中間套接觸應(yīng)力分析

利用ANSYS 進行有限元應(yīng)力分析，目的就是確定該結(jié)構(gòu)的承載能力是否足夠，即看材料是否滿足強度要求。本文關(guān)于液壓安全聯(lián)軸器的分析思路如下：首先通過彈性力學(xué)和材料力學(xué)［7］知識得出一組理論計算數(shù)據(jù)，然后利用ANSYS 獲得相應(yīng)的有限元分析數(shù)據(jù)，進行比較，在此我們利用有限元軟件求解內(nèi)套和中間套配合在高壓油作用下產(chǎn)生的接觸應(yīng)力對工作的影響分析。

3.1 有限元分析求解

油腔內(nèi)通入高壓油后，聯(lián)接套內(nèi)套向內(nèi)壓縮中間套，中間套同時向內(nèi)變形壓縮抱緊軸套，內(nèi)套和中間套發(fā)生接觸擠壓，產(chǎn)生接觸應(yīng)力。下面將對液壓安全聯(lián)軸器內(nèi)套和中間套的配合結(jié)構(gòu)進行兩種工況的接觸分析。第一個工況分析內(nèi)套和中間套兩端面固定約束安裝，通入高壓油的作用下的應(yīng)力變化；第二個工況分析內(nèi)套和中間套同面端面固定約束另一端面完全自由下安裝，通入高壓油的作用下的應(yīng)力變化。

3.2 有限元計算與理論計算結(jié)果比較分析

對文中建立的數(shù)學(xué)簡化模型進行有限元分析，并將其結(jié)果與理論計算的結(jié)果進行驗證比較。利用ANSYS 分析在通入高壓油作用下內(nèi)套與中間套配合接觸面在兩種不同工況下的接觸應(yīng)力，應(yīng)力云圖如圖3 和圖4 所示。

分析兩種載荷步情況下的后處理結(jié)果，表1 反映了聯(lián)接套各應(yīng)力的理論計算和有限元計算分析結(jié)果。

表1 理論計算與有限元計算結(jié)果比較

表1 說明有限元和與理論計算的結(jié)果在許用誤差5%以內(nèi)，驗證了有限元計算的準確性和合理性。

4 結(jié)論

液壓安全聯(lián)軸器在油腔里通過液壓油后，內(nèi)套和中間套配合工作后產(chǎn)生應(yīng)力。經(jīng)分別運用理論計算和有限元方法對兩種工況下的應(yīng)力進行分析，可知所求解的內(nèi)套和中間套配合后的應(yīng)力變化和理論計算結(jié)果都很接近。同時還可看出，同等的載荷（高壓油壓力）作用下，一端固定一端自由的Mises 應(yīng)力、Tresca 應(yīng)力更小，而且接觸應(yīng)力明顯增大，這種接觸應(yīng)力會使中間套有著更大的形變，這樣的變形效果可以讓中間套充分抱緊軸套,在設(shè)計液壓安全聯(lián)軸器時候可以優(yōu)先選擇一端固定一端自由的安裝方式，使得液壓安全聯(lián)軸器更好地工作，使用的效率更高、壽命更長。

［1］文斌.聯(lián)軸器設(shè)計選用手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

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