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轧钢机联轴器的有限元分析

作者:admin    文章来源:河北京诚联轴器厂    点击数:    更新时间:2009-11-17

     随着我国冶金行业的快速发展,中宽厚板是近几年乃至将来很长一段时间发展的必然趋势,从而对该板轧机生产线重大机械装备的技术水平也要求越来越高、越来越先进。重载型十字轴式万向联轴器是用于中宽厚板轧钢机的主传动轴,与传统的梅花联轴器齿式联轴器、十字滑块联轴器相比,它具有结构合理、传动扭矩大、传动效率高、传动平稳、承载能力高、噪音低等优点,是整个轧机的核心传动部件。

   但是在实际使用中该联轴器仍然存在着缺点:一方面,与以往的分离式十字轴万向联轴器相比,该联轴器的叉头孔较大,根部强度较弱;另一方面,现有的这种联轴器内轮廓曲面极为复杂,制造和装配难度大。以河北京诚联轴器厂生产的中宽厚板轧钢机联轴器为例,对叉头部分建立了三维有限元分析模型,并进行求解和分析,提出了叉头结构设计可采取的措施。

1 有限元分析的前处理

考虑到有限元软件的建模功能较弱,首先在PRO/E环境下建立法兰叉头的三维实体模型,如图1所示

 

在进行有限元分析之前,首先要获得零件的相关材料属性。这些属性包括:材料名称、材料密度、材料的杨氏模量、材料的泊松比等。联轴器和转向节零件所采用的材料为40Cr。该材料相关参数如下:

杨氏模量(YOUNG_MODULUS)=206GPa

泊松比(POISSON_RATIO)=0.30

材料密度(MASS_DENSITY)=7850KG/m3

由于40Cr属于塑性材料,因此采用屈服极限σs=785MPa作为该材料的极限应力,并采取安全系数为2,此时材料的许用极限应力为:[σ]=σs/ns=393MPa

法兰叉利用推力轴承与十字轴相配合,地面与其它轴(中间轴、主动轴、从动轴)相联接。在PRO/E中对法兰叉模型采用三维四面体单元进行网格智能网格细分。这样将该零件划分为57,212个节点,292,856个单元,如图2所示。然后为转向节赋予材料属性,包括:弹性模量E=206GPa,泊松比为μ=0.3,材料密度ρ=7850kg/m3/根据转向节的工作状态对其添加约束。在工况下,法兰叉孔径处受到的力如图3所示。考虑不到法兰叉承受的载荷为转矩,该转矩在力学模型上可以转化作用于叉头径向,位于宽度中点的集中载荷,底面的各接点为全约束,将建立起来的有限元模型在有限元软件中求解,其应力如图3所示。

 

2有限元分析的求解和后处理

建立有限元模型的基本原则是确保模型的准确性。在满足准确性的前提下可适当简化模型,例如在进行有限元分析时,往往只要求了解某些部位和区域的应力分布情况,而不必要分析整个零件。因此在建立几何模型时,就无须将所有特征做出来,特别是一些结构较复杂且又不影响分析区域的特征,完全可以不做出或者以一个简单的特征来代替它。

有限元软件在读入外部数据时并不进行单位的自动转换,因此在几何建模时采用的模型单位、载荷单位,杨氏模量的单位都将影响到最后计算结果的单位。为例保证计算时的量纲与设计习惯一致,在有限元分析中采用表1中的量纲

 

3 结果分析

 在判断零件的分析结果是否满意时,首先应考虑零件上出现的最大应力值是否小于材料的许用应力;零件的变形量是否小于许用变形量。如果在满足上述条件的基础上,应尽可能使零件的应力分布均匀,并尽可能多的采用应力分布的结构。

通过对法兰叉的有限元分析,最终得到如图4的应力云图。从图上来看法兰叉的危险截面在叉头根部倾角为45°的面上,此结果与以往的经验吻合。最大应力为139MPa,小于材料的许用应力。因此在正常的工作条件下,叉头是安全的,但是如果工作条件恶劣,传递扭矩大,当出现过载时,叉头就可能发生破坏。

 

4 结论

   联轴器是实际工程中大量使用的轴联接装置,尽管它的结构一般较简单、体积小,但在生产加工过程中起着举足轻重的作用,一旦联轴器发生断裂,势必给生产造成影响,因此联轴器的结构设计非常重要,根据以上的分析结果,对于联轴器中法兰叉的结构设计提出以下几点建议:

(1)由于法兰叉的内轮廓曲面极为复杂,制造和装配均有很大的难度,因此在设计时应加大叉头根部的强度和过渡圆角值;

(2)正常工况下,法兰叉最大应力小于屈服极限,可以正常工作,当出现过载时,法兰叉可能发生破坏。

(3)在对法兰叉进行结构设计时,可以考虑用简单的几何曲面代替原来的叉头内轮廓,使根部最大应力降低,提高其强度,同时也可以提高其结构工艺性。

(4)为了降低叉头根部应力,可以保证十字轴装备要求的前提下,加大叉头根部的尺寸,使根部应力降低,提高其强度。

相关产品请参阅:SWC-BH型标准伸缩焊接式万向联器|SWC-DH型短伸缩焊接式万向联轴器|SWC-WD型无伸缩短式万向联轴器|SWC-CH型单伸缩焊接式联轴器|SWC-WH无伸缩焊接式联轴器|小型十字轴万向联轴器| SWP-F型大伸缩单型万向联轴器

 

 
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