張志紅 ，劉 潔

（晉中信息學(xué)院智能工程學(xué)院，山西 太谷 030800）

農(nóng)業(yè)機(jī)械聯(lián)軸器主要由兩個(gè)軸叉萬向節(jié)構(gòu)成，在連接中具有較大的角位移以及鏡像位移的補(bǔ)償參數(shù)。在應(yīng)用中，可以根據(jù)操作要求對農(nóng)業(yè)機(jī)械聯(lián)軸器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的安裝，根據(jù)安裝基準(zhǔn)進(jìn)行位移偏差等相關(guān)參數(shù)的控制以及調(diào)整優(yōu)化，則可以提高安裝質(zhì)效[1]。基于ABAQUS 對農(nóng)業(yè)機(jī)械聯(lián)軸器靜動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行模擬分析，了解各項(xiàng)參數(shù)以及不同狀態(tài)中的變化，對于農(nóng)業(yè)機(jī)械聯(lián)軸器性能優(yōu)化具有重要價(jià)值。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)械聯(lián)軸器性能分析

在農(nóng)業(yè)機(jī)械聯(lián)軸器中，滾針軸承整體造型獨(dú)特，在應(yīng)用中不容易受到農(nóng)機(jī)設(shè)備環(huán)境等因素的影響，整體結(jié)構(gòu)不易出現(xiàn)磨損，具有良好的耐磨性能。如果出現(xiàn)問題，更換滾針軸承即可繼續(xù)使用，操作簡單便捷。農(nóng)業(yè)機(jī)械聯(lián)軸器在運(yùn)行中會(huì)對補(bǔ)償角的偏差以及軸向、徑向位移等產(chǎn)生相對較小的附加彎矩以及摩擦阻力，這樣則可以減少在各個(gè)連接位置中產(chǎn)生的磨損等問題，有利于延長農(nóng)機(jī)設(shè)備的應(yīng)用壽命，在運(yùn)行中通過控制減少聯(lián)軸器產(chǎn)生的負(fù)荷，則可以有效優(yōu)化整體性能。

在農(nóng)機(jī)設(shè)備應(yīng)用中，農(nóng)業(yè)機(jī)械軸是一種重要的萬向聯(lián)軸器。在應(yīng)用過程中可以實(shí)現(xiàn)扭矩的傳遞以及承載。在運(yùn)行中受到工作環(huán)境以及系統(tǒng)等多種因素的影響，容易出現(xiàn)軸頭等位置的磨損，其中產(chǎn)生的應(yīng)力在軸肩位置相對集中，如果不對其進(jìn)行優(yōu)化，提高整體的強(qiáng)度，會(huì)增加系統(tǒng)應(yīng)用的損耗，不利于農(nóng)機(jī)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]。因此，基于ABAQUS 軟件對農(nóng)業(yè)機(jī)械聯(lián)軸器進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)特性綜合分析，了解機(jī)械軸應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)行聯(lián)軸器模態(tài)分析、聯(lián)軸器動(dòng)力學(xué)分析、疲勞分析，獲得數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化。

2 基于ABAQUS 的農(nóng)業(yè)機(jī)械聯(lián)軸器靜動(dòng)態(tài)特性分析

ABAQUS 軟件是功能強(qiáng)大的進(jìn)行工程模擬的有限元軟件。其在農(nóng)業(yè)機(jī)械聯(lián)軸器的靜動(dòng)態(tài)特性中的應(yīng)用，可以有效解決線性以及復(fù)雜的非線性問題。通過系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對靜動(dòng)態(tài)特性的幾何形狀進(jìn)行模擬分析，通過模型庫對典型的材料功能以及性能進(jìn)行綜合模擬，對金屬材質(zhì)進(jìn)行通用模擬，可以有效解決農(nóng)業(yè)機(jī)械聯(lián)軸器中存在的應(yīng)力以及位移等相關(guān)問題[3]。同時(shí)，基于ABAQUS 軟件可以實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)機(jī)械聯(lián)軸器靜動(dòng)態(tài)特性的綜合分析。農(nóng)業(yè)機(jī)械聯(lián)軸器基于ABAQUS 軟件可以通過不同的單元模擬分析，深入地了解農(nóng)業(yè)機(jī)械聯(lián)軸器靜動(dòng)態(tài)特性的結(jié)構(gòu)現(xiàn)象以及存在的差異性。實(shí)現(xiàn)對接頭等結(jié)構(gòu)位置的力學(xué)行為的模擬分析，了解材料的關(guān)系以及特征，通過ABAQUS 軟件進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械聯(lián)軸器疲勞、斷裂以及靜動(dòng)態(tài)特性的綜合分析，具有顯著效果。

2.1 有限元建模

單邊的萬向傳動(dòng)軸主要包括輸入、輸出以及農(nóng)業(yè)機(jī)械軸三個(gè)重要的結(jié)構(gòu)。其中，輸入與輸出軸之間通過相交而形成角度，稱為軸間角，由φ表示。軸間角是影響傳動(dòng)比變化的主要因素，在整體呈現(xiàn)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)隨著輸入段位的變化而出現(xiàn)不同程度的變化。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)原理進(jìn)行分析，在角度分別為910°、270°時(shí)，輸出軸的轉(zhuǎn)矩會(huì)達(dá)到最大數(shù)值。

農(nóng)業(yè)機(jī)械萬向聯(lián)軸器運(yùn)行中受到多種因素的影響，導(dǎo)致其傳動(dòng)中產(chǎn)生的受力狀態(tài)具有一定復(fù)雜性。其中，軸叉與農(nóng)業(yè)機(jī)械軸的整體荷載屬于分布荷載，在軸向呈現(xiàn)均勻的分布狀態(tài)。農(nóng)業(yè)機(jī)械萬向連接軸輸入與輸出主要通過軸承座經(jīng)過滾針軸承實(shí)現(xiàn)力度的加載，共加載兩對力，其主要的大小參數(shù)是相同的，但是方向是相反的，主要的軸界面分布荷載會(huì)隨著接觸圓弧通過中心的位置逐漸向兩側(cè)位置呈倍數(shù)遞減[4]。

2.2 建模設(shè)置

在建模處理中分析主要運(yùn)行工況等信息，其中電機(jī)設(shè)備的額定功率參數(shù)為1.5 kW，轉(zhuǎn)速為80 r/min，軸間角則為11°。根據(jù)工況進(jìn)行計(jì)算，可以獲得仿真加載力以及其扭矩的數(shù)值參數(shù)，如表1 所示?；贏BAQUS 軟件進(jìn)行對材料性能的分析，獲得物性參數(shù)，如表2所示。

表1 仿真加載力以及扭矩?cái)?shù)值參數(shù)

表2 農(nóng)業(yè)機(jī)械萬向聯(lián)軸器的物性參數(shù)

2.3 聯(lián)軸器應(yīng)力模擬邊界條件

根據(jù)聯(lián)軸原理，分析農(nóng)業(yè)機(jī)械萬向聯(lián)軸器實(shí)際狀況，對右端機(jī)械軸的上下端面進(jìn)行固定約束性分析處理，其中，在左端的機(jī)械軸會(huì)受到力偶，通過加載聯(lián)軸器的方式進(jìn)行處理，則可以在另一個(gè)機(jī)械軸上進(jìn)行扭矩的施加，其參數(shù)為179 N·m。根據(jù)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行幾何模型的建設(shè)，對網(wǎng)格進(jìn)行劃分處理，在模擬中劃分了13 588 個(gè)實(shí)體單元，其中，共有7 290 個(gè)單元網(wǎng)格總數(shù)。

3 農(nóng)業(yè)機(jī)械聯(lián)軸器靜動(dòng)態(tài)特性分析結(jié)果

基于結(jié)果進(jìn)行綜合分析，通過處理則可以確定各項(xiàng)數(shù)值信息。根據(jù)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行機(jī)械軸應(yīng)力狀態(tài)等相關(guān)內(nèi)容的綜合分析，了解主要力學(xué)性能，并進(jìn)行綜合判斷。

3.1 機(jī)械軸應(yīng)力狀態(tài)分析

機(jī)械軸最大應(yīng)力參數(shù)會(huì)隨著直徑參數(shù)的變化而變化。而直徑參數(shù)為15 mm 時(shí)應(yīng)力變化整體呈現(xiàn)平緩狀態(tài)。不包括直徑參數(shù)為11 mm時(shí)，其余整體最大應(yīng)力則要小于農(nóng)業(yè)機(jī)械軸的屈服極限，在分析直徑參數(shù)的大小時(shí)受到一定的限制，整體上來說應(yīng)力越小則獲得的效果越佳，對此，可以綜合可靠性以及經(jīng)濟(jì)性等確定最佳參數(shù)為15 mm。軸直徑參數(shù)為15 mm 時(shí)，通過應(yīng)力云圖分析可以發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)機(jī)械軸產(chǎn)生的最大應(yīng)力多數(shù)在軸肩的位置，而總體的應(yīng)力則會(huì)小于屈服極限，可以充分保障強(qiáng)度要求。

3.2 聯(lián)軸器模態(tài)分析

對聯(lián)軸器進(jìn)行模態(tài)分析，主要可以了解在系統(tǒng)各個(gè)階段振型中產(chǎn)生的固有頻率參數(shù)，這樣可以有效避免共振等問題的出現(xiàn)。在模態(tài)分析的前幾個(gè)階段，要確定類型以及各項(xiàng)信息，通過子空間迭代的方式對其進(jìn)行計(jì)算，獲得前6 個(gè)階段的模態(tài)信息，分別為：205 Hz、210 Hz、1 586 Hz、1 698 Hz、1 733 Hz、2 147 Hz。分析不同階段中的各項(xiàng)固有頻率等信息數(shù)據(jù)，結(jié)果符合要求，在運(yùn)行中可以有效避免共振等相關(guān)問題的出現(xiàn)。基于瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)角度，可以發(fā)現(xiàn)在任意時(shí)間段其荷載結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)影響模式。而不同材料的屬性、不同約束條件也具有一定的差異性，通過計(jì)算分析則可以了解具體的信息數(shù)據(jù)。通過模型分析曲線以及數(shù)值波動(dòng)，則可以確定是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求[5]。對不同節(jié)點(diǎn)預(yù)緊力的變化曲線進(jìn)行分析，通過模擬分析可以發(fā)現(xiàn)，在不同的預(yù)緊力情況下，變化趨勢并沒有顯著的差異性。但是隨著預(yù)緊力的增加會(huì)導(dǎo)致角位移的變化。

3.3 疲勞分析

疲勞是材料在特定的點(diǎn)可以承受的擾動(dòng)應(yīng)力，在長期循環(huán)擾動(dòng)應(yīng)力之下會(huì)產(chǎn)生裂紋直至完全斷裂，由此產(chǎn)生局部永久性的結(jié)構(gòu)變化。對聯(lián)軸器進(jìn)行循環(huán)荷載加載作用，分析結(jié)構(gòu)材料在疲勞破壞狀態(tài)之下可以承受的應(yīng)力以及應(yīng)變的循環(huán)總數(shù)，則將其稱為疲勞壽命。在循環(huán)荷載作用之下，能夠?qū)е罗r(nóng)業(yè)機(jī)械聯(lián)軸器出現(xiàn)疲勞性的損失。隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生的損傷程度持續(xù)增加。而在損傷程度達(dá)到上限數(shù)值時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)疲勞性的破壞等問題，這樣會(huì)導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)械聯(lián)軸器出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效的問題[6-7]。

為了對農(nóng)業(yè)機(jī)械聯(lián)軸器進(jìn)行疲勞仿真分析，基于ABAQUS 軟件進(jìn)行模擬分析。將聯(lián)軸器的信息導(dǎo)入系統(tǒng)，形成S-N 曲線。通過模塊進(jìn)行拓展可以獲得材料信息，之后，通過系統(tǒng)的計(jì)算獲得結(jié)果。再將曲線在模型中進(jìn)行處理，導(dǎo)入瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的分析結(jié)果，通過模塊進(jìn)行模擬分析，則可以獲得在常規(guī)狀態(tài)以及不同的平行不對中程度下，聯(lián)軸器的疲勞壽命以及主要安全系數(shù)[8-10]。

通過分析可以確定在此狀態(tài)中，聯(lián)軸器容易出現(xiàn)疲勞損傷等問題，這主要受到循環(huán)荷載等作用的影響，容易出現(xiàn)區(qū)域性的疲勞損傷問題。基于瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，則可以確定最低疲勞參數(shù)為0.53%～4.74%的壽命。通過模型的綜合分析，可以進(jìn)行壽命預(yù)測，在處理中可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)列的檢驗(yàn)分析，將其作為原始序列進(jìn)行差分處理。經(jīng)過檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)階數(shù)為3時(shí)，整體數(shù)據(jù)平穩(wěn)。

上述的仿真分析和預(yù)測對于確保農(nóng)業(yè)機(jī)械聯(lián)軸器的安全性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。

3.4 結(jié)論

基于ABAQUS 軟件進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械聯(lián)軸器的模擬分析，根據(jù)建模參數(shù)進(jìn)行有限元分析，獲得結(jié)論如下：

通過碳纖維合金鋼進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)，可以充分滿足整體的設(shè)計(jì)要求，有效控制重量，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的輕量化發(fā)展。在設(shè)計(jì)中，將農(nóng)機(jī)設(shè)備的中間軸設(shè)計(jì)為中控管的結(jié)構(gòu)，可以有效避免在慣性轉(zhuǎn)矩的作用下產(chǎn)生的不良影響，有效控制并減少產(chǎn)生的附加彎矩以及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)等問題，這樣可以切實(shí)提高農(nóng)機(jī)設(shè)備的整體傳動(dòng)效率。

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力的最大數(shù)值會(huì)受到直徑參數(shù)的影響，二者呈現(xiàn)反比的關(guān)系。在農(nóng)業(yè)機(jī)械軸中，最佳的直徑參數(shù)為15 mm。在模態(tài)分析處理中可以有效避免共振等問題的出現(xiàn)。對聯(lián)軸器的研究分析發(fā)現(xiàn)，在不同的預(yù)緊力狀態(tài)下，角位移和角速度的動(dòng)態(tài)影響變化整體趨勢相同。隨著預(yù)緊力的增大，角位移和角速度的變化幅值也會(huì)相應(yīng)增大，因?yàn)槁?lián)軸器屬于鋼體結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致角位移以及角速度逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

在聯(lián)軸器出現(xiàn)疲勞損傷時(shí)，其主要區(qū)域在連接位置，在正常狀態(tài)下產(chǎn)生的疲勞損傷輕。最低疲勞壽命和安全系數(shù)主要受到平行不對中的程度而出現(xiàn)變化，隨著程度的加深而減少，但是在程度為0.53%～2.63%時(shí)呈現(xiàn)增大的趨勢。在程度為3.16%～4.74%時(shí)，整體趨于平穩(wěn)。

4 結(jié)語

基于ABAQUS 軟件進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械聯(lián)軸器的模擬分析，能夠了解機(jī)械軸應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)行聯(lián)軸器模態(tài)分析、聯(lián)軸器動(dòng)力學(xué)分析與疲勞分析，由此獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化，切實(shí)滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械制造與生產(chǎn)的實(shí)際需求，有利于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展。