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ANSYSApp仿真在卷烟转弯定量给料机锥形轴失效分

发布时间:2016-12-18 00:02:27
 
  1 锥形轴结构 
  转弯定量给料机构是香烟定量给料机转弯位置处常用机构,整个机构包括三相异步减速电机、轴承及轴承座、锥形轴及其相关连接件,转弯皮带,其中当属锥形轴结构相对复杂,易损坏,且损坏后更换难度大成本高,为此本文对锥形轴的失效原因进行了分析,并且给出优化方案。 
  现有锥形轴结构如图1所示。该锥形轴为阶梯轴形式,同时将与输送皮带的接触面位置设计为锥形,这样做的目的是为了保证皮带转弯过程中转角内外侧张紧力一致,转弯角速度相同,线速度不同,达到转弯的效果。锥形轴选用45钢制成,完成后进行调制处理,增加硬度,最后再经氧化处理,防腐防锈。 
  2 ANSYSApp仿真 
  目前,锥形轴在使用过程中主要会出现以下两方面损坏问题: 
  (1)在频繁启停的工况下,锥形轴阶梯位置处易产生变形及细微裂纹,且变形及裂纹随工作时间增加逐步加大,直至使锥形轴失效。 
  (2)锥形轴与轴承接触位置由初始过盈配合逐渐转化为间隙配合,锥形轴旋转过程中产生跳动,输送带产生振动,且振动逐渐加大,直至失效。 
  针对上述失效现象,本文将从结构设计与热处理工艺方面给出原因分析,并提出解决方案。 
  ANSYSApp是一款融合了结构、流体、电场、磁场分析于一体的大型通用有限元App,是现代产品设计、结构分析的重要工具。针对阶梯轴位置处的变形及细微裂纹的产生,本文将采用ANSYSApp进行仿真分析,从而获得可靠的数据。 
  锥形轴结构整体而言相对比较简单,因此可以直接在ANSYS中创建模型,且由于分析的重点是阶梯位置处,因此锥形形状对分析结果的影响较小,可以忽略不计,因此,为了简化建模,本文将锥形结构简化为圆柱形结构,创建有限元模型;完成建模后,赋予其单元属性及材料属性,划分网格,加载及求解,最终获得的求解结果如图2所示。 
  图2中的锥形轴最大应力值为57.8MPa,发生在第一阶梯处。 
  为了验证分析结果的可靠性,本文还将利用解析法求出实心圆柱体的抗扭强度,计算公式如下 
  τb=3Mb/4Wp(1-1) 
  其中Mb是扭转力矩,Wp是扭转时试样截面的极断面系数; 根据锥形轴实际尺寸参数,由上述公式(1-1)可计算出左侧第一个阶梯处剪切应力为τb1=56.5MPa;第二个阶梯处的剪切应力为τb1=35.7MPa;第三和第四个阶梯处在工作时基本不受剪切应力作用,因此本文不做计算。由计算结果可知,第一阶梯处的剪切应力与ANSYS仿真结果基本一致,可做相互印证。查询机械设计手册可知,45号钢的许用切应力[τ]=60MPa,尽管从计算结果来说基本能够满足使用要求,但是考虑到锥形轴长期处于启停的工作状态,因此极易出现疲劳应力,而为了保证结构的可靠性,一般会给定一个安全系数nf,一般情况下nf≥2,因此实际的许用切应力应低于30MPa,锥形轴在工作过程中的实际应力值已经超过了50MPa,因此工作过程中极易出现损坏。 
  除阶梯处变形断裂的问题外,在与轴承接触的位置,工作一段时间后,原始的过盈配合会逐渐转变为间隙配合,从而无法平稳转动,产生振动现象。通过对现场问题分析,发现问题主要出在锥形轴上与轴承接触位置,该位置处经过一段时间的工作,实际值比初始设计值有明显减小,这就说明该位置在工作过程中产生了磨损;回头来查看设计图纸,发现整个阶梯轴只做了调制处理,对于与轴承接触的位置并没有再做其他处理,这便是导致此处磨损的主要原因。 
  针对上述锥形轴出现的问题,根据分析原因,本文制定了如下优化方案: 
  (1)阶梯位置处倒圆角,降低应力集中。 
  (2)对锥形轴上与轴承内圈接触的位置进行二次处理,进一步提高其硬度,从而减少磨损,如进行喷完、渗碳或者渗氮处理。 
  (3)改变锥形轴结构,将原有的整体式锥形轴制作成分体组装式锥形轴。本文将给出改进后的分体组装式锥形轴结构设计方案。 
  由图1可知,原始的锥形轴为一整体式,该结构中的阶梯处如果出现变形或者磨损现象,则整个锥形轴全部作废,为了减少这种不必要的浪费,本文提出了一种分体组装式锥形轴的设计方案,能够减少材料浪费,降低加工成本。分体组装式锥形轴的设计方案见图3所示。 
  由图3可知,该分体组装装配式锥形轴整体分为三大部分,即左侧输入轴部分,中间锥形部分,右侧支撑部分,根据实际情况右侧磨损较严重,因此可以将整体硬度设计高一些,左侧受交变载荷,因此在选材及热处理时应充分考虑。另外该结构最大的优点在于整个锥形轴结构是组装而成,平时可以根据实际情况多预备一些易损件,当结构出现损坏时只将其中易损部分更换。
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