基于Workbench的鏈條抽油機(jī)鏈板疲勞壽命分析

1、基于Workbench的鏈條抽油機(jī)鏈板疲勞壽命分析*基金項(xiàng)目：國家重大專項(xiàng)（2011ZX05048）；湖北省高等學(xué)校科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目/T200906。作者簡介：袁新梅（1979-），女，河南虞城人，2002年大學(xué)畢業(yè)，碩士，講師，主要從事機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的教學(xué)與研究工作。袁新梅1 董小慶2 施廷鋒3 賀金滿3 曾運(yùn)運(yùn)1（長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北荊州 434023；2.中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠，湖北荊州 434024；3.荊州市巨鯨傳動(dòng)有限公司，湖北荊州 434000）摘要：為了研究鏈條抽油機(jī)鏈板的疲勞壽命，本文以LCJ12-5-14型鏈條抽油機(jī)鏈板為研究對(duì)象，利用ANSYS

2、Workbench對(duì)鏈板進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析，在此基礎(chǔ)上分別采用理論方法和數(shù)值模擬方法對(duì)鏈板進(jìn)行了疲勞壽命計(jì)算，兩種計(jì)算方法結(jié)果獲得的鏈板疲勞安全系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，且兩種方法計(jì)算結(jié)果疲勞安全系數(shù)差異率僅為5.2%，表明采用Workbench對(duì)鏈板進(jìn)行疲勞壽命數(shù)值模擬具有較高的可信度。關(guān)鍵詞：鏈條抽油機(jī)；鏈板；疲勞壽命；有限元法Fatigue Life Analysis for Chain Plate of Chain Drive Pumping Unit Based On WorkbenchYuan Xinmei1 Dong Xiaoqing2, Shi Tingfeng3, He Jinman

3、3, Zeng Yunyun1(1.School of Mechanical Engineering, Yangtze University, Jingzhou 434023, 2. SJ Petroleum Machinery Co., SINOPEC, Jingzhou 434024, 3. Jing Zhou Jujing Transmission Machinery Co.,Ltd, Jingzhou 434000)Abstract：In order to study the fatigue life of the chain drive pumping unit chain plat

4、e, the chain plate of the type of LCJ12-5-14 chain drive pumping unit as an example, the static strength analysis is carried on by the ANSYS Workbench. The fatigue life of the chain plate is analyzed by the theoretical method and numerical simulation method respectively, and the fatigue safety facto

5、rs meet the design requirement. The difference rates between two methods is only 5.2%, the result shows that the fatigue life analysis of the chain plate has high credibility use Workbench.Keywords：chain drive pumping unit; chain plate; fatigue life; finite element method鏈傳動(dòng)作為機(jī)械傳動(dòng)中嚙合傳動(dòng)方式之一，在工程設(shè)備中應(yīng)用極

6、為廣泛。鏈條鏈板是鏈傳動(dòng)重要的零部件之一，其在工作過程中承受著交變載荷作用，其疲勞性能對(duì)鏈條安全可靠的運(yùn)行具有很大的影響，相關(guān)的研究者對(duì)鏈板的疲勞性能進(jìn)行了廣泛的研究。鏈傳動(dòng)研究所藍(lán)宏等通過鏈板的選材、加工精度及熱處理等方面進(jìn)行了深入的研究，獲得了提高滾子鏈鏈板疲勞壽命的工藝參數(shù)1；國家鏈條質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心許樹新等研究了鏈板理論應(yīng)力集中系數(shù)對(duì)其疲勞可靠性的影響2；中國石油大學(xué)（華東）催學(xué)政等研究了抽油機(jī)外鏈板與銷軸過盈量對(duì)抽油機(jī)套筒滾子鏈條鏈板疲勞強(qiáng)度的影響3。通過研究者的研究成果可以看出，鏈板的疲勞壽命與鏈板的設(shè)計(jì)、加工制造及裝配等很多因素均有著重要的聯(lián)系。為了提高鏈板工作過程中的疲勞性能，

7、本文以鏈條抽油機(jī)鏈板為研究對(duì)象，采用ANSYS/Workbench對(duì)其疲勞壽命進(jìn)行仿真分析，本文采用的分析方法對(duì)改善鏈板的疲勞壽命和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有積極的意義。1鏈板靜強(qiáng)度分析1.1鏈板受力分析本文以LCJ12-5-14型號(hào)氣動(dòng)平衡鏈條抽油機(jī)所用鏈條為例，對(duì)其鏈板進(jìn)行分析研究。本文研究的鏈條抽油機(jī)所用軌跡鏈條為160H-2型號(hào)重載系列雙排石油鉆機(jī)傳動(dòng)滾子鏈，根據(jù)鏈條抽油機(jī)的實(shí)際工作情況可知，在不考慮摩擦力的情況下，鏈條承受的最大拉力為39kN4。1.2鏈板幾何模型根據(jù)滾子鏈鏈板的結(jié)構(gòu)可知，鏈板有兩條相互垂直的對(duì)稱軸，同時(shí)鏈板工作時(shí)載荷也關(guān)于對(duì)稱軸對(duì)稱，因此在有限元分析時(shí)，為了簡化計(jì)算，在Wor

8、kbench/DesignModeler里取鏈板的四分之一建立其幾何模型，如圖1(a)所示。1.3鏈板材料屬性鏈板所用材料為35CrMo，其相關(guān)物理屬性如表1所示。表1 鏈板所用材料物理屬性表材料sb彈性模量泊松比35CrMo835MPa924MPa213GPa0.2861.4鏈板網(wǎng)格劃分為了保證有限元計(jì)算精度，對(duì)鏈板的網(wǎng)格劃分時(shí)進(jìn)行適當(dāng)控制，對(duì)鏈板的外表面和體進(jìn)行了網(wǎng)格尺寸控制，有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1(b)所示，共有61170個(gè)單元，263102個(gè)節(jié)點(diǎn)。(a) 幾何模型 (b)網(wǎng)格模型圖1 鏈板模型1.5約束及載荷針對(duì)鏈板幾何模型簡化原則，對(duì)鏈板兩對(duì)稱面施加對(duì)稱約束。鏈板載荷可按照參考文獻(xiàn)

9、5-6的方法進(jìn)行施加，由于Workbench不能進(jìn)行多元函數(shù)非線性載荷施加，筆者在Workbench里通過插入ANSYS APDL模塊的commands的方法進(jìn)行載荷施加。1.6靜強(qiáng)度分析結(jié)果圖2和圖3分別為鏈板靜強(qiáng)度分析的整體變形和等效應(yīng)力云圖。由圖3可以看出，鏈板的最大變形處于鏈板孔內(nèi)側(cè)頂部，變形最大值為0.011mm，屬于小變形范圍，滿足工藝設(shè)計(jì)要求。由圖3可以看出，鏈板的最大等效應(yīng)力處于鏈板孔右側(cè)邊緣位置，等效應(yīng)力最大值為145.25MPa，且在此區(qū)域附近等效應(yīng)力相對(duì)較大，有應(yīng)力集中現(xiàn)象。由有限元分析結(jié)果可知鏈板的最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于其所用材料的屈服極限，說明鏈板的結(jié)構(gòu)滿足其靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要

10、求，但由于鏈板在工作過程中承受著交變載荷作用，因此有必要對(duì)鏈板的疲勞壽命進(jìn)行研究。圖2 鏈板整體變形云圖圖3 鏈板等效應(yīng)力云圖2鏈板疲勞壽命理論計(jì)算疲勞失效是由于零件局部應(yīng)力最大處在循環(huán)應(yīng)力作用下形成微裂紋，然后逐漸擴(kuò)展為宏觀裂紋，從而導(dǎo)致斷裂。疲勞失效通常有低應(yīng)力性、突發(fā)性、時(shí)間性、敏感性及疲勞斷口等特點(diǎn)。機(jī)械零部件疲勞失效有高周疲勞、低周疲勞、高溫疲勞、熱疲勞及腐蝕疲勞等疲勞失效形式。根據(jù)鏈板的靜強(qiáng)度計(jì)算可以看出，其最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于其材料的屈服極限，其疲勞失效形式屬于高周疲勞，因此鏈板疲勞壽命設(shè)計(jì)時(shí)可采用名義應(yīng)力法。根據(jù)鏈板所用材料35CrMo的材料屬性可知其疲勞極限強(qiáng)度-1=432MP

11、a，根據(jù)鏈板的工作狀況，其疲勞安全系數(shù)n可用式（1）進(jìn)行計(jì)算 （1） （2）式中：a應(yīng)力幅；平均應(yīng)力折算系數(shù)；m平均應(yīng)力；KD對(duì)稱循環(huán)零件疲勞降低系數(shù)；K疲勞缺口系數(shù)；尺寸系數(shù)；1表面加工系數(shù)。根據(jù)鏈板的靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及結(jié)構(gòu)特征，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可獲得上述系數(shù)的數(shù)值代入式（1）可得由以上計(jì)算結(jié)果可知，鏈板疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。3鏈板疲勞壽命數(shù)值計(jì)算3.1鏈板材料S-N曲線材料的S-N曲線作為疲勞壽命計(jì)算的基本數(shù)據(jù)，可用式（3）表示 （3）鏈板所用材料為35CrMo，當(dāng)存活率p=90%時(shí)，式（3）中ap=16.3897和bp=-4.5378，代入式（3）得 （4）將式（4）對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入Work

12、bench中，獲得其S-N曲線，如圖4所示。圖4 35CrMo材料S-N曲線3.2鏈板疲勞壽命計(jì)算結(jié)果根據(jù)鏈板的工況可知，其應(yīng)力比R=0，因此載荷采用恒定振幅及比例進(jìn)行施加。疲勞壽命分析過程中平均應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響具有非常重要的作用，這種影響通常采用極限應(yīng)力線圖進(jìn)行表示，Workbench中有3種極限應(yīng)力線圖，分別為Goodman直線圖、Soderberg直線圖及Gerber直線圖。Goodman理論適用于低韌性材料，但對(duì)壓縮平均應(yīng)力沒能做修正；Soderberg理論比Goodman理論更保守，并且在有些情況下可用于脆性材料；Gerber理論能夠?qū)g性材料的拉伸平均應(yīng)力提供很好的擬合，但它不

13、能正確地預(yù)測(cè)出壓縮平均應(yīng)力的有害影響7。由于鏈板所用材料屬于韌性材料，且所受應(yīng)力基本為拉應(yīng)力，因此分析過程中選用Gerber直線模型。根據(jù)以上設(shè)置，在Workbench中對(duì)鏈板進(jìn)行了疲勞壽命分析，圖5為鏈板的疲勞壽命云圖，圖6為鏈板疲勞安全系數(shù)云圖。由圖5可以看出，鏈板的整個(gè)模型應(yīng)力循環(huán)次數(shù)都達(dá)到了107，按照機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)定，說明本鏈板為無限壽命，疲勞壽命滿足設(shè)計(jì)要求。圖5 鏈板疲勞壽命云圖由圖6可以看出，鏈板最小疲勞安全系數(shù)處于鏈板孔右側(cè)邊緣位置，與鏈板最大等效應(yīng)力位置相同，疲勞安全系數(shù)最小值為1.753，大于鏈板所用材料的許用安全系數(shù)1.5，表明本鏈板疲勞安全系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，且數(shù)值計(jì)算的疲

14、勞安全系數(shù)與理論計(jì)算值相差僅為5.2%，說明采用本文所述的數(shù)值模擬方法對(duì)鏈板進(jìn)行疲勞壽命分析具有較高的可信度。圖6 鏈板疲勞安全系數(shù)云圖4結(jié)論1）本文采用ANSYS Workbench對(duì)鏈條抽油機(jī)鏈板進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析，獲得了鏈板的最大等效應(yīng)力為145.25MPa，分析表明本鏈板靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。2）在鏈板靜強(qiáng)度分析基礎(chǔ)上，分別采用理論方法與數(shù)值模擬方法對(duì)鏈板的疲勞壽命進(jìn)行了計(jì)算，兩種方法獲得鏈板疲勞安全系數(shù)分別為1.662和1.753，疲勞安全系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，且兩種方法計(jì)算結(jié)果差異率僅為5.2%，說明采用Workbench對(duì)疲勞壽命進(jìn)行數(shù)值模擬具有較高的可信度。參考文獻(xiàn)1 藍(lán)宏，金昌，黃梅影響滾子鏈疲勞壽命的主要因素J吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，27（3）：30332 許樹新，金昌，柴邦衡改善滾子鏈鏈板疲勞可靠性的研究J機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，1995，（6）：13153 崔學(xué)政，吳新曉，周先軍抽油機(jī)套筒滾子鏈條鏈板疲勞強(qiáng)度計(jì)算J機(jī)械設(shè)計(jì)，2005，22（12）：21234 陳榮振鏈條抽油機(jī)滾子鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算J石油