摘 要本文作者依據(jù)多年工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)ANSYS軟件仿真卷煙轉(zhuǎn)彎輸送機(jī)錐形軸失效分析的應(yīng)用，以便和同行切磋與交流。

【關(guān)鍵詞】ANSYS軟件仿真 卷煙轉(zhuǎn)彎 優(yōu)化方案

1 錐形軸結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)彎輸送機(jī)構(gòu)是香煙輸送機(jī)轉(zhuǎn)彎位置處常用機(jī)構(gòu)，整個(gè)機(jī)構(gòu)包括三相異步減速電機(jī)、軸承及軸承座、錐形軸及其相關(guān)連接件，轉(zhuǎn)彎皮帶，其中當(dāng)屬錐形軸結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，易損壞，且損壞后更換難度大成本高，為此本文對(duì)錐形軸的失效原因進(jìn)行了分析，并且給出優(yōu)化方案。

現(xiàn)有錐形軸結(jié)構(gòu)如圖1所示。該錐形軸為階梯軸形式，同時(shí)將與輸送皮帶的接觸面位置設(shè)計(jì)為錐形，這樣做的目的是為了保證皮帶轉(zhuǎn)彎過(guò)程中轉(zhuǎn)角內(nèi)外側(cè)張緊力一致，轉(zhuǎn)彎角速度相同，線速度不同，達(dá)到轉(zhuǎn)彎的效果。錐形軸選用45鋼制成，完成后進(jìn)行調(diào)制處理，增加硬度，最后再經(jīng)氧化處理，防腐防銹。

2 ANSYS軟件仿真

目前，錐形軸在使用過(guò)程中主要會(huì)出現(xiàn)以下兩方面損壞問(wèn)題：

（1）在頻繁啟停的工況下，錐形軸階梯位置處易產(chǎn)生變形及細(xì)微裂紋，且變形及裂紋隨工作時(shí)間增加逐步加大，直至使錐形軸失效。

（2）錐形軸與軸承接觸位置由初始過(guò)盈配合逐漸轉(zhuǎn)化為間隙配合，錐形軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生跳動(dòng)，輸送帶產(chǎn)生振動(dòng)，且振動(dòng)逐漸加大，直至失效。

針對(duì)上述失效現(xiàn)象，本文將從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與熱處理工藝方面給出原因分析，并提出解決方案。

ANSYS軟件是一款融合了結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元軟件，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析的重要工具。針對(duì)階梯軸位置處的變形及細(xì)微裂紋的產(chǎn)生，本文將采用ANSYS軟件進(jìn)行仿真分析，從而獲得可靠的數(shù)據(jù)。

錐形軸結(jié)構(gòu)整體而言相對(duì)比較簡(jiǎn)單，因此可以直接在ANSYS中創(chuàng)建模型，且由于分析的重點(diǎn)是階梯位置處，因此錐形形狀對(duì)分析結(jié)果的影響較小，可以忽略不計(jì)，因此，為了簡(jiǎn)化建模，本文將錐形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為圓柱形結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建有限元模型；完成建模后，賦予其單元屬性及材料屬性，劃分網(wǎng)格，加載及求解，最終獲得的求解結(jié)果如圖2所示。

圖2中的錐形軸最大應(yīng)力值為57.8MPa，發(fā)生在第一階梯處。

為了驗(yàn)證分析結(jié)果的可靠性，本文還將利用解析法求出實(shí)心圓柱體的抗扭強(qiáng)度，計(jì)算公式如下

τb=3Mb/4Wp（1-1）

其中Mb是扭轉(zhuǎn)力矩，Wp是扭轉(zhuǎn)時(shí)試樣截面的極斷面系數(shù)； 根據(jù)錐形軸實(shí)際尺寸參數(shù)，由上述公式（1-1）可計(jì)算出左側(cè)第一個(gè)階梯處剪切應(yīng)力為τb1=56.5MPa；第二個(gè)階梯處的剪切應(yīng)力為τb1=35.7MPa；第三和第四個(gè)階梯處在工作時(shí)基本不受剪切應(yīng)力作用，因此本文不做計(jì)算。由計(jì)算結(jié)果可知，第一階梯處的剪切應(yīng)力與ANSYS仿真結(jié)果基本一致，可做相互印證。查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，45號(hào)鋼的許用切應(yīng)力[τ]=60MPa，盡管從計(jì)算結(jié)果來(lái)說(shuō)基本能夠滿足使用要求，但是考慮到錐形軸長(zhǎng)期處于啟停的工作狀態(tài)，因此極易出現(xiàn)疲勞應(yīng)力，而為了保證結(jié)構(gòu)的可靠性，一般會(huì)給定一個(gè)安全系數(shù)nf，一般情況下nf≥2，因此實(shí)際的許用切應(yīng)力應(yīng)低于30MPa，錐形軸在工作過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)力值已經(jīng)超過(guò)了50MPa，因此工作過(guò)程中極易出現(xiàn)損壞。

除階梯處變形斷裂的問(wèn)題外，在與軸承接觸的位置，工作一段時(shí)間后，原始的過(guò)盈配合會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殚g隙配合，從而無(wú)法平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題分析，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題主要出在錐形軸上與軸承接觸位置，該位置處經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的工作，實(shí)際值比初始設(shè)計(jì)值有明顯減小，這就說(shuō)明該位置在工作過(guò)程中產(chǎn)生了磨損；回頭來(lái)查看設(shè)計(jì)圖紙，發(fā)現(xiàn)整個(gè)階梯軸只做了調(diào)制處理，對(duì)于與軸承接觸的位置并沒(méi)有再做其他處理，這便是導(dǎo)致此處磨損的主要原因。

針對(duì)上述錐形軸出現(xiàn)的問(wèn)題，根據(jù)分析原因，本文制定了如下優(yōu)化方案：

（1）階梯位置處倒圓角，降低應(yīng)力集中。

（2）對(duì)錐形軸上與軸承內(nèi)圈接觸的位置進(jìn)行二次處理，進(jìn)一步提高其硬度，從而減少磨損，如進(jìn)行噴完、滲碳或者滲氮處理。

（3）改變錐形軸結(jié)構(gòu)，將原有的整體式錐形軸制作成分體組裝式錐形軸。本文將給出改進(jìn)后的分體組裝式錐形軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

由圖1可知，原始的錐形軸為一整體式，該結(jié)構(gòu)中的階梯處如果出現(xiàn)變形或者磨損現(xiàn)象，則整個(gè)錐形軸全部作廢，為了減少這種不必要的浪費(fèi)，本文提出了一種分體組裝式錐形軸的設(shè)計(jì)方案，能夠減少材料浪費(fèi)，降低加工成本。分體組裝式錐形軸的設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖3所示。

由圖3可知，該分體組裝裝配式錐形軸整體分為三大部分，即左側(cè)輸入軸部分，中間錐形部分，右側(cè)支撐部分，根據(jù)實(shí)際情況右側(cè)磨損較嚴(yán)重，因此可以將整體硬度設(shè)計(jì)高一些，左側(cè)受交變載荷，因此在選材及熱處理時(shí)應(yīng)充分考慮。另外該結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)在于整個(gè)錐形軸結(jié)構(gòu)是組裝而成，平時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況多預(yù)備一些易損件，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞時(shí)只將其中易損部分更換。

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作者簡(jiǎn)介

王晨雨（1988-），男，湖北省宜昌市人。學(xué)士學(xué)位?，F(xiàn)為湖北省煙草公司宜昌市卷煙物流中心設(shè)備管理員。主要研究方向?yàn)樵O(shè)備維護(hù)管理、優(yōu)化設(shè)計(jì)。

作者單位

湖北省煙草公司宜昌市卷煙物流中心 湖北省宜昌市 443099