旋轉(zhuǎn)軸系設(shè)計的試驗研究

旋轉(zhuǎn)軸系設(shè)計的試驗研究

在設(shè)計和開發(fā)過程中，引入計算機(jī)作為輔助設(shè)計。在方案步驟中，采用3d建模軟件展示設(shè)計理念，在結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟中引入有限分析軟件（如anis工作路徑），優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)據(jù)分析。它可以縮短設(shè)計周期，降低設(shè)計過程的工作量，降低設(shè)計投資，有效確保設(shè)計過程數(shù)據(jù)的收集和共享。旋轉(zhuǎn)軸系在研發(fā)的過程中，主要針對軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗，檢測軸結(jié)構(gòu)對對應(yīng)工作環(huán)境的適應(yīng)情況。前期產(chǎn)品定型試驗完成后，通過對軸的質(zhì)量進(jìn)行校核檢測，發(fā)現(xiàn)整體軸的設(shè)計缺陷和材料及加工工藝的缺陷，方便后續(xù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計?？v觀整個軸研制過程，軸試驗是設(shè)計研發(fā)及制造的重要組成部分，是保證設(shè)計成果高質(zhì)量的基本保障。1模型的構(gòu)建1.1實驗軸系主軸結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計軸系主軸的設(shè)計尺寸根據(jù)國標(biāo)GB/T297-1994、GB/T283-1994、GB/T812-1988、GB/T886-1986進(jìn)行基本的設(shè)計，實驗加載方式采用雙點(diǎn)跨式的支承方式。實驗軸系的主軸作為試驗機(jī)的試驗核心運(yùn)轉(zhuǎn)部件，采用的材料是40Cr，考慮實際軸的工作要求和裝配要求，對試驗主軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部的優(yōu)化設(shè)計。模型采用SolidWorks進(jìn)行模型設(shè)計，模型的建立包含幾何建模、材質(zhì)建模及節(jié)點(diǎn)建模，對核心模擬構(gòu)件旋轉(zhuǎn)主軸進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，其他配合構(gòu)件采用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫進(jìn)行選型分析。1.2靜力學(xué)有限元分析試驗軸系主軸在工程機(jī)械中作為核心傳動和支撐構(gòu)件，對于其設(shè)計要求極為苛刻，在滿足其剛度的同時，還要主軸具有極強(qiáng)的扭轉(zhuǎn)特性。針對實驗主軸的線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析（LinesStaticStructureAnalysis）主要用于計算整體或者局部在固定不變的載荷作用下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，它不考慮慣性及阻尼的影響。AnsysWorkbench靜力學(xué)有限元分析以經(jīng)典力學(xué)理論中的物體動力為研究基礎(chǔ)進(jìn)行整體或部分的靜力學(xué)分析，其動力學(xué)通用方程如下：式中，[M]為矢量矩陣，[C]為阻尼矩陣，[K]為剛度系數(shù)矩陣，{x}為位移矢量，{F}為力矢量。靜力學(xué)分析過程中的各個量與時間是無關(guān)函數(shù)，因此，位移{x}可由如下的方程進(jìn)行求解：靜力學(xué)分析包括計算載荷（慣性與阻尼效應(yīng)不考慮）作用于目標(biāo)對象所引起的位移、應(yīng)變、應(yīng)力和力等。在分析過程中，對載荷與結(jié)構(gòu)的響應(yīng)定義為不變或響應(yīng)隨時間的改變極為緩慢。1.3anasasis外接數(shù)據(jù)端口軸系裝配的部件是在SolidWorks軟件裝配界面進(jìn)行虛擬裝配，通過Ansys外接數(shù)據(jù)端口進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入，對模型體的各項參數(shù)進(jìn)行定義，主要包含模型的接觸面定義、軸系的網(wǎng)格劃分、載荷約束添加、楊氏模量（YoungModulus）和泊松比（Poission’sRatio）的定義。2流變云圖求解通過仿真AnsysWorkbench求解內(nèi)容在Solution菜單進(jìn)行添加，試驗軸系整體裝配的求解內(nèi)容主要包括應(yīng)力云圖（EquivalentStress）、應(yīng)變云圖（EquivalentElasticStrain）、總形變云圖（TotalDeformation）及各向形變云圖（Deformation），其中，各向形變云圖主要求解x、y、z三個坐標(biāo)軸的分布情況。2.1加載載荷分析軸上的載荷經(jīng)簡化之后主要包括：軸向加載，作用于加載軸承工作區(qū)域；徑向加載，作用于試驗軸承與軸肩接觸的位置；扭矩作用與試驗主軸的伸出端，簡化為作用于鍵槽側(cè)面的作用力。施加加載載荷時，采用BearingLoad作為軸向加載載荷類型。由圖3和圖4分分析可知：等效應(yīng)變的分布基本沿著一對加載軸承的隔離軸肩對稱分布，最大的等效應(yīng)變發(fā)生位置在兩端圓螺母的安裝位置，屬于微小形變，對試驗軸系的穩(wěn)定性基本無影響；等效應(yīng)力的分布與等效應(yīng)變的分布規(guī)律基一致，其最大值為，小于屈服強(qiáng)度許用值，因此，設(shè)計符合安全要求，同時，通過對應(yīng)力及應(yīng)變的分布圖可以直觀地看出軸頸端部位置為應(yīng)力的主要集中點(diǎn)，也是產(chǎn)生應(yīng)力形變的主要位置。2.2結(jié)構(gòu)方程的分布云圖試驗主軸的形變量對整個試驗軸系，甚至整個軸承試驗機(jī)的性能都有影響，對軸承試驗機(jī)的試驗主軸進(jìn)行形變的分析能夠防止過量的形變導(dǎo)致的試驗軸系設(shè)計不符合標(biāo)準(zhǔn)的情況。圖5分別對應(yīng)x、y、z三個坐標(biāo)軸分量對應(yīng)的形變分布情況、總形變的分布云圖。其中x軸對應(yīng)的最大形變量為0.0022593mm、y軸對應(yīng)的最大形變量為0.00065217mm、z對應(yīng)的最大形變量為0.00071733mm。各項形變值小于5‰，滿足實際的設(shè)計要求。試驗主軸總體形變云圖，形變最大值在圓螺母在軸上的接觸位置，值為0.0027352mm，屬于微小形變，不影響試驗軸系的整體工作性能，因此，對于旋轉(zhuǎn)軸系，應(yīng)充分考慮軸后續(xù)加工的材料力學(xué)性能的處理及材料表面抗疲勞磨損的處理。2.3試驗主軸分布通過有限元分析得到的分布云圖可以直觀地感知應(yīng)力、應(yīng)變及形變在軸上的分布，但是，對于對應(yīng)位置的值分布情況不直觀，因此，為更進(jìn)一步了解應(yīng)力、應(yīng)變和形變在沿著試驗主軸的數(shù)值分布情況，以試驗主軸的左端端面中心幾何坐標(biāo)原點(diǎn)，將有限元云圖各對應(yīng)點(diǎn)的最大值導(dǎo)入Origin軟件中進(jìn)行圖表的分析，通過數(shù)值圖表更直接的了解其趨勢變化規(guī)律。Origin是一款專業(yè)的繪圖軟件，其繪圖過程主要包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)學(xué)模型關(guān)系建立、圖表曲線分析等步驟。本次的數(shù)值分析步驟為：數(shù)據(jù)導(dǎo)入，數(shù)據(jù)缺省分析，數(shù)據(jù)矩陣化處理，曲線和曲面圖表分析幾個步驟。圖6、7是試驗試驗主軸應(yīng)力-應(yīng)變、應(yīng)力-形變兩組參數(shù)在試驗主軸上的值分布曲面。由分布圖分析可知，應(yīng)力和應(yīng)變和應(yīng)力形變兩組關(guān)系量在軸上的分布存在一定的對稱關(guān)系。同時，由圖分析可知道，應(yīng)變和形變的變化趨勢與應(yīng)力值的變化趨勢基本一致，充分說明應(yīng)力與應(yīng)變和形變的產(chǎn)生相關(guān)。從以上的兩個分析圖表中，我們能夠直觀地分析應(yīng)力、應(yīng)變及形變之間的相關(guān)性，但是，依舊缺乏數(shù)值的直觀印證，同時，對于其極限值的分析也缺乏數(shù)值支持，因此，對整個圖組的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值的整理和分析，得到了應(yīng)力、應(yīng)變和形變沿主軸的分布情況。圖8是應(yīng)力、應(yīng)變及形變在試驗主軸上的數(shù)值分布情況。根據(jù)圖表圖可得出以下的分析：（1）整體沿著試驗主軸上距離軸左端面位置有對稱趨勢；（2）應(yīng)力、應(yīng)變及形變的曲線變化趨勢一致，形變的峰值位置對應(yīng)應(yīng)力和應(yīng)變的峰值位置；（3）三者的大值集中分布區(qū)域在兩段圓螺母區(qū)域和中間的加載軸承工作區(qū)域；（4）應(yīng)變和形變的最大值遠(yuǎn)小于5‰，對于設(shè)計整體的穩(wěn)定性基本無影響。由如上分析總結(jié)可知，設(shè)計的試驗軸系的試驗主軸工作靜力學(xué)強(qiáng)度完全滿足工作要求，符合設(shè)計的安全性，同時，也要求在對該類零件的加工時，要考慮材料的受力分布情況。3模擬數(shù)據(jù)對實際加工過程的指導(dǎo)由旋轉(zhuǎn)軸系構(gòu)件在Ansys軟件環(huán)境下的靜力學(xué)分析數(shù)據(jù)模型，可將實際軸構(gòu)件的加工進(jìn)行一定程度優(yōu)化處理，從而對實際的加工工程提供參考。3.1結(jié)構(gòu)突變率激變率的提高由應(yīng)變及應(yīng)力在靜力學(xué)分析的云分布圖可知，應(yīng)力集中在存在結(jié)構(gòu)突變的位置，這會直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在該位置形變概率激增，因此，科對該位置結(jié)構(gòu)采取圓角、倒角等方式降低激變率，有效降低旋轉(zhuǎn)軸件的結(jié)構(gòu)損傷。3.2長直旋轉(zhuǎn)軸件性能穩(wěn)定性分析應(yīng)力、應(yīng)變及形變分布曲線可以知道，以簡支梁方式布置的旋轉(zhuǎn)軸件其應(yīng)力、應(yīng)變及形變具有對稱性、支點(diǎn)集中分布性，因此，對于長直構(gòu)件，為保證其旋轉(zhuǎn)軸件的穩(wěn)定性，可適當(dāng)?shù)卦谛巫冏畲笪恢迷鲈O(shè)支點(diǎn)，從而實現(xiàn)長直旋轉(zhuǎn)軸件性能的穩(wěn)定性。3.3增加疲勞磨損強(qiáng)度對于軸件的高磨損位置，科對其進(jìn)行材料的表面淬火，實現(xiàn)該區(qū)域的淬硬性，從而增加疲勞磨損強(qiáng)度，有效增加軸件該分區(qū)使用壽命；同時，對于旋轉(zhuǎn)軸件的連接、跨接