基于Solidworks Simulation收卷機卷筒主軸的疲勞分析

李繼松

(北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120)

0 引言

卷筒主軸是鋼鐵冶金行業(yè)收卷機重要零件之一，設(shè)計中除考慮其應(yīng)力強度和變形大小滿足設(shè)計和使用要求外，疲勞也是導(dǎo)致主軸斷裂的主要原因之一。主軸是在交變應(yīng)力下工作的，這種交變載荷長時間作用使材料某處尤其是邊界面上首先出現(xiàn)裂紋，持續(xù)加載會導(dǎo)致部分或全部裂紋萌生，產(chǎn)品的抵抗能力不斷惡化，最終發(fā)生破壞。疲勞斷裂與靜載荷下的斷裂不同，疲勞斷裂時不產(chǎn)生明顯的塑性變形。設(shè)計人員以往在設(shè)計階段通常使用簡單計算來估計產(chǎn)品的壽命，而實際產(chǎn)品壽命由于受各種因素影響，只有通過產(chǎn)品樣試驗才能得到。但這種方法成本大，也不十分準確。因此，在產(chǎn)品設(shè)計階段利用有效的軟件進行仿真分析以優(yōu)化設(shè)計，提高產(chǎn)品壽命是一種既科學(xué)又經(jīng)濟的方法。

1 主軸的建模

參照現(xiàn)有鍍鋅生產(chǎn)線中使用的收卷機主軸圖，采用基于特征的完全程序法通過旋轉(zhuǎn)、拉伸等操作建模。主軸結(jié)構(gòu)如圖1所示。主軸后段在齒輪箱中，由兩對軸承承受作用在軸上的全部載荷，大軸承處軸徑300mm，兩軸承之間用鍵固定一個大齒輪，用來傳遞經(jīng)電機傳遞變速后的扭矩，齒輪分度圓直徑974mm，法向模10mm，齒數(shù)95，螺旋角12.8o，重397kg。主軸前端開8個軸向槽，用于連接T型槽，通過扇形板，滑錐套移動實現(xiàn)漲縮，支撐鋼卷。軸前端最大直徑380mm，軸整體為空心結(jié)構(gòu)。因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對一些倒角及小孔進行簡化。

圖1 主軸的結(jié)構(gòu)圖

圖2 主軸的應(yīng)力圖解

2 靜態(tài)分析

疲勞分析必須基于完整的結(jié)構(gòu)研究的結(jié)果，利用靜態(tài)分析的結(jié)果作為失效判斷的參考。

1)主軸為鍛件，材料選合金鋼SS，其中彈性模量E=210GPa，泊松比0.28，屈服強度為620MPa，張力強度為724MPa。

2）設(shè)置邊界條件，考慮主軸前端為雙列圓錐輥子軸承，尾部為調(diào)心輥子軸承，對兩軸承處施加軸承約束，雙列圓錐輥子軸承處施加軸向約束，對軸的前段施加轉(zhuǎn)動約束。

3）加載條件：對梯形槽施加卷重290000N，其中加入鋼帶張力的合力37500N和扇形板、滑錐套重量。齒輪處施加徑向力6373N，軸向力1197N，圓周力2585N，齒輪重397kg，扭矩39750Nm。施加主軸自重1790kg。

4）求解，使用高品質(zhì)單元創(chuàng)建網(wǎng)格，整體單元網(wǎng)格大小61.4877mm，單元數(shù)為18539個，節(jié)總數(shù)32113個，解算器為FFEPlus算法，對模型進行靜態(tài)分析。求解結(jié)果如圖2、圖3所示。最大位移量0.1098mm，最大應(yīng)力為94515584N/m2，位于齒輪外側(cè)，低于屈服應(yīng)力620421998N/m2。

圖3 主軸的位移圖解

圖4 主軸的疲勞S-N曲線

3 疲勞分析

疲勞壽命是指疲勞失效以前材料所承受的應(yīng)力或應(yīng)變的循環(huán)次數(shù)。Solidworks Simulation軟件高周疲勞分析是基于應(yīng)力-壽命（S-N）方法的，其疲勞計算的結(jié)果與S-N曲線直接相關(guān)，S-N曲線反映導(dǎo)致疲勞失效所需的應(yīng)力水平與循環(huán)次數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。曲線數(shù)據(jù)是經(jīng)過精心拋光制作并無任何宏觀裂紋的光滑試件通過試驗得出來的。實際使用過程中的構(gòu)件由于各種加工缺陷，如夾渣、氣泡、鍛造、熱處理等，含有這種缺陷的構(gòu)件承受交變載荷作用時，表面裂紋會立即開始擴展，最后導(dǎo)致破壞。另外材料表面質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量也是疲勞損壞的重要因素。

創(chuàng)建分析算例，選擇材料的疲勞S-N曲線（圖4），插值選用雙對數(shù)，應(yīng)力比率R=-1。添加事件中循環(huán)周期1000，確定疲勞屬性恒定振幅事件交互作用為隨意交互作用，計算交替應(yīng)力的手段設(shè)定為對等應(yīng)力（von Mises），平均應(yīng)力糾正為無，運行疲勞分析，損壞圖解和生命圖解分別如圖4所示。損壞百分比10.01，壽命1001000周期，滿足使用要求。

圖5 主軸的損壞百分比圖解

圖6 主軸的生命總數(shù)圖解

4 結(jié)論

本文介紹了一種基于Solidworks Simulation收卷機卷筒主軸的疲勞分析方法，先對收卷機主軸進行靜力分析，得到應(yīng)力強度、最大變形等主要數(shù)據(jù)，然后通過疲勞算例計算出使用百分比和生命總數(shù)，得出主軸的損壞及使用壽命等相關(guān)數(shù)據(jù)，為開收卷卷筒設(shè)計提供了可靠的理論依據(jù)。

[1]結(jié)構(gòu)疲勞強度設(shè)計.中國機械工程手冊(第1版)[M].北京:機械工業(yè)出版社.1996.

[2]張一心,徐必勇.基于Solidworks Simulation的液壓破碎錘釬桿優(yōu)化及疲勞分析[J].CAE仿真.2009(12):66-67.