基于Ansys有限元仿真采棉機齒輪箱中間軸的強度分析

魏 敏，張宏文，朱 洪

WEI Min,ZHANG Hong-wen,ZHU Hong

（石河子大學 機械電氣工程學院，石河子 832000）

0 引言

我國作為生產(chǎn)棉花的大國，隨著采棉機的廣泛推廣和技術改進，機采棉含雜率的問題和棉花質(zhì)量等級的問題已基本得到解決。中間軸系統(tǒng)是采棉機傳動系統(tǒng)的重要組成部件，它的作用是把電動機動力經(jīng)中間軸系統(tǒng)齒輪箱變速，傳到采棉頭滾筒和水平摘錠上，保證采棉機的正常工作。

采棉頭齒輪箱中間軸系統(tǒng)的主要作用是傳遞電動機的動力，把動力經(jīng)齒輪傳遞給采摘滾筒和摘錠，保證采棉機的正常工作。中間軸的結構參數(shù)設計，加工制造工藝流程及裝配時的精度都會影響中間軸系統(tǒng)的可靠性。采棉機在工作過程中，中間軸的所受應力是隨采摘滾筒負載大小變化的交變應力，如果中間軸長時間處在交變應力的作用下，中間軸容易產(chǎn)生疲勞破壞，而且破壞部位常發(fā)生在應力集中的部位，因此在正常工作狀況下受力的不穩(wěn)定及突變，都會引起中間軸的失效。一旦中間軸發(fā)生失效斷裂，就會影響到中間軸上其他零部件的正常工作狀況，降低中間軸系統(tǒng)工作精度，縮短其他零部件的使用壽命。

本文通過傳統(tǒng)的理論計算方法得到中間軸在工作過程中的載荷數(shù)據(jù)，并對中間軸進行強度和剛度校核，利用ansys有限元軟件對中間軸進行仿真分析，得出在工作狀態(tài)下中間軸的應力云圖和變形云圖，對ansys的云圖和理論計算方法進行對比分析，分析中間軸易發(fā)生破壞的部位，為中間軸的設計和制造工藝提供參考。

1 中間軸系統(tǒng)工作過程分析

1.1 中間軸系統(tǒng)的裝配圖

在Solidworks環(huán)境下，利用工作界面里的草圖、特征及參數(shù)化建模方式，可以很方便的構建中間軸系統(tǒng)的主要零部件：中間軸、53齒輪、離合連接盤、23齒輪、壓力彈簧和軸承的三維實體模型。再利用Solidworks裝配功能插入和配合，完成中間軸系統(tǒng)的裝配圖，中間軸系統(tǒng)的裝配圖如圖1所示。

圖1 中間軸系統(tǒng)的裝配圖

1.2 中間軸系統(tǒng)的工作過程

根據(jù)研究可知壓力彈簧是通過一定預壓緊力裝配在中間軸系統(tǒng)中，大齒輪的作用是把電動機的動力傳遞給主軸，并帶動離合連接盤轉(zhuǎn)動，離合連接盤再帶動小齒輪運動，小齒輪最終把動力傳遞給采摘滾筒，大齒輪在通過齒輪加速最終把動力傳到摘錠上。采棉機正常工作時，采摘滾筒所需動力小，離合連接盤軸向分力和脫開力始終小于預緊力，所以離合連接盤始終不脫開，采棉機正常工作。

當采摘滾筒出現(xiàn)堵塞或負載過載時，采摘滾筒保持正常工作所需的動力增大，需要電動機輸出更大的功率，大齒輪獲得的功率增大，傳遞給離合連接盤扭矩增大，此時離合連接盤在軸向分力增大，當離合連接盤軸向分力和脫開力大于正常工作時彈簧的壓緊力時，小齒輪軸向移動壓緊彈簧，離合連接盤脫開。大齒輪和主軸空轉(zhuǎn)，切斷傳遞給小齒輪的動力，采摘滾筒停止工作，保護小齒輪及后面的傳動裝置，離合連接盤脫開起到過載保護的作用。此時采棉機繼續(xù)前進，當采摘滾筒繞開時，離合連接盤在壓力彈簧的壓力下，推動小齒輪下移，使離合連接盤嚙合，采棉機又正常工作。

中間軸是中間軸系統(tǒng)的核心部件，工作條件要求高，受力情況復雜，在正常工作情況下同時受到彎矩和扭矩的共同作用。如果中間軸發(fā)生失效，會影響中間軸上其他零部件的工作性能，降低整個采棉機的運動精度，縮短所有零部件的使用壽命。

當采棉機正常工作時，離合連接盤處于嚙合狀態(tài)，正常傳遞動力，此時傳遞的扭矩較小。當離合連接盤處于剛要脫開的臨界點時，離合連接盤此時傳遞的扭矩最大，軸向分力也最大，當軸向分力大于或等于彈簧推力和離合連接盤的脫開力時，離合連接盤脫開，切斷動力傳遞，小齒輪停止工作，大齒輪與中間軸結合部位所受的彎矩和扭矩最大。

大齒輪傳遞的扭矩可按下式計算：

2 中間軸的有限元仿真分析

2.1 建立有限元模型

為了減少有限元分析過程，在中間軸幾何尺寸不變的情況下，可以忽略倒角和圓角等結構。從零件圖中可知中間軸的材料為冷拉六角鋼10-26/40cr，經(jīng)過熱處理和表面氧化處理。大齒輪的材料也為40cr，經(jīng)過熱處理和表面氧化處理，中間軸和大齒輪的材料屬性如表1所示。網(wǎng)格的劃分會影響到有限元分析精度，采用四面體網(wǎng)格solid95劃分法對中間軸和大齒輪進行網(wǎng)格劃分，建立的有限元模型如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

2.2 施加載荷及邊界條件

大齒輪的中間孔為六邊形，中間軸的截面為六邊形，中間軸和大齒輪利用過盈配合進行裝配，大齒輪通過扭矩把動力傳給中間軸，當離合連接盤達到剛要脫開的臨界點時，大齒輪傳遞的扭矩為T=32.8N.m，給中間軸和大齒輪的裝配體施加載荷，并限制中間軸在兩端軸承處的X、Y和Z方向的自由度。通過Ansys解算器求解運算，可以得到中間軸在外載荷作用下的應力云圖、位移云圖如圖3、圖4所示。

圖3 中間軸的應力云圖

圖4 中間軸的位移云圖

通過分析中間軸的應力云圖可知中間軸的應力最大值在軸邊緣（與大齒輪接合處），最大值為21.528 MPa。查設計手冊可知軸的許用彎曲應力35 MPa，故軸的強度滿足要求。

從位移云圖可知中間軸變形最大位置在軸邊緣(與大齒輪接合處)，其值為9.6×10-3mm，中間軸其他部位的變形很小，軸兩端位移最小。大齒輪的法面模數(shù)mn=4.23mm，軸的允許撓度：

y=(0.01～0.03)mm=(0.0423～0.1269)mm>9.6×10-3mm，故軸的剛度滿足要求。

3 中間軸的強度校核

3.1 中間軸的強度計算

當采棉機正常工作時，離合連接盤處于嚙合狀態(tài)，正常傳遞動力，此時傳遞的扭矩較小。當離合連接盤處于剛要脫開的臨界點時，離合連接盤此時傳遞的扭矩最大，軸向分力也最大，當軸向分力大于彈簧推力和離合連接盤的脫開力時，離合連接盤脫開，切斷動力傳遞，小齒輪停止工作，大齒輪與中間軸結合部位所受的彎矩和扭矩最大。

大齒輪傳遞的扭矩可按下式計算：

1）作出中間軸的計算簡圖

根據(jù)中間軸的結構，把中間軸當作簡支梁，支點取在軸兩端的軸承處，作出中間軸的計算簡圖，如圖5(a)所示。

圖5 中間軸的受力分析及彎矩、扭矩圖

2）求作用在中間軸上的外力和支反力

中間軸在離合連接盤剛脫開的臨界點時，動力切斷小齒輪停止轉(zhuǎn)動，離合連接盤空套在軸，所以中間軸所受的外力有作用在大齒輪上圓周力Ft和徑向力Fr，作用在軸上的扭矩T，將作用在中間軸上的力向水平面和垂直面分解，然后再分別計算。

1）垂直面上的支反力（如圖5(b)所示）

2)水平面上的支反力（如圖5(c)所示）

3）作彎矩圖

(1)垂直面上截面B左側的彎矩（如圖5(b)所示）

(2)水平面上截面B左側的彎矩（如圖5(c)所示）

(3)合成彎矩圖（如圖5(d)所示）

把垂直面和水平面的彎矩按矢量合成起來，其大小為：

4）作扭矩圖（如圖5(e)所示）

5）對中間軸的強度進行校核

中間軸在正常工作時，中間軸傳遞的扭矩較小，當采摘滾筒負載過大時，中間軸傳遞扭矩增大，導致離合連接盤脫開，小齒輪停止轉(zhuǎn)動，此時截面B處所受的彎矩和扭矩最大，故截面B為軸的危險截面。中間軸單向轉(zhuǎn)動，取α=0.6。中間軸的材料為40cr，調(diào)質(zhì)處理，查設計手冊的[σ]=70Mpa。

中間軸的彎扭合成強度條件為：

所以中間軸的強度滿足要求。

3.2 中間軸的剛度計算

中間軸的彎曲剛度用撓度y及偏轉(zhuǎn)角θ來度量。中間軸受集中載荷和扭矩的共同作用，查機械設計手冊得出其撓度計算公式為：其中M為扭矩，E為彈性模量，I為慣性矩，l為支點間距，

所以中間軸滿足剛度要求。

4 結論

利用ansys有限元分析軟件對中間軸系統(tǒng)進行靜力學分析，得到中間軸在工作狀態(tài)下的應力分布圖和位移分布圖，結合理論計算結果得出中間軸的危險部位，進行對比分析，驗證了ansys有限元分析方法的正確性，兩種方法研究的結果是一致的，結果表明中間軸在實際工況下的危險部位發(fā)生在與大齒輪嚙合部位，其分析結果對中間軸系統(tǒng)的設計和校核有重要指導意義。通過分析計算結果表明中間軸的結構設計合理，各性能參數(shù)滿足強度、剛度要求。

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