錠子裝配中錠桿與錠盤壓配變形的有限元分析

陳亞維張 巍梅俊歌

（1.中原工學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，鄭州 450007；2.中原工學(xué)院 材料與化工學(xué)院，鄭州 450007）

錠子裝配中錠桿與錠盤壓配變形的有限元分析

陳亞維1張 巍1梅俊歌2

（1.中原工學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，鄭州 450007；2.中原工學(xué)院 材料與化工學(xué)院，鄭州 450007）

針對(duì)錠子裝配過(guò)程中錠桿與錠盤在壓配后變形較大的問(wèn)題，利用有限元分析ANSYS軟件對(duì)其壓配過(guò)程進(jìn)行模擬仿真；通過(guò)調(diào)整過(guò)盈量的大小，模擬出其在相對(duì)應(yīng)過(guò)盈量下，錠桿與錠盤經(jīng)壓配后產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變的情況。從而得出過(guò)盈量對(duì)桿盤壓配后錠子精度的影響并找出相對(duì)優(yōu)化的壓配參數(shù)。

錠子 錠桿 錠盤 有限元模擬 過(guò)盈量

引言

錠子呈細(xì)長(zhǎng)回轉(zhuǎn)軸的組合形態(tài)，由錠桿與錠盤組成，是現(xiàn)代紡紗機(jī)中加拈卷繞的重要組成部件之一，其質(zhì)量直接影響到細(xì)紗的產(chǎn)量和質(zhì)量。錠子屬于高速旋轉(zhuǎn)件，紡紗生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)其質(zhì)量有很高的要求。目前國(guó)內(nèi)企業(yè)一般采用壓入法的過(guò)盈聯(lián)接使錠桿與錠盤結(jié)合成為回轉(zhuǎn)體[1]。但在裝配過(guò)程中，很多企業(yè)往往采用增大壓配過(guò)盈量的方式提高過(guò)盈量的可靠性，其結(jié)果是壓配后錠子的變形量增大。對(duì)企業(yè)中壓配的考察情況來(lái)看，有近1/3的錠子在桿盤壓配后因變形過(guò)大導(dǎo)致超差，需要返修或剔除。本文以D32錠子為研究對(duì)象，利用有限元分析ANSYS軟件對(duì)錠子中錠桿與錠盤壓配過(guò)程進(jìn)行仿真分析，分析其過(guò)盈量對(duì)壓配變形的影響。旨在提高其裝配精度，對(duì)錠子旋轉(zhuǎn)精度和細(xì)紗機(jī)性能的提高有著重要意義。

1 D32錠子概述

1.1 錠子（D32）結(jié)構(gòu)

D32系列錠子作為細(xì)紗錠子結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)，由錠桿、定盤、錠底、錠腳、制動(dòng)器和錠鉤等部分組成。其主體是錠桿與錠盤，兩者通過(guò)過(guò)盈聯(lián)接成為回轉(zhuǎn)體[2]。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 細(xì)紗錠子結(jié)構(gòu)圖

1.2 錠桿與錠盤壓配工藝

目前國(guó)內(nèi)企業(yè)聯(lián)接錠桿和錠盤的方式主要是用1.5:100的錐度過(guò)盈配合，如圖2所示。

圖2 錠桿與錠盤的結(jié)合示意圖

過(guò)盈聯(lián)接的裝配方法有壓入法、熱脹法和冷縮法。其中，壓入法由于方法簡(jiǎn)單，壓裝成本低的特點(diǎn)成為企業(yè)無(wú)鍵聯(lián)接的首選方法，其主要方法是將包容件經(jīng)壓力機(jī)直接壓入包容件內(nèi)。壓入法一般用于聯(lián)接件的配合尺寸和過(guò)盈量不太大的場(chǎng)合[3]。針對(duì)D32錠子，企業(yè)在錠桿與錠盤裝配中實(shí)際裝配的壓入量為3mm，則其最大實(shí)際過(guò)盈量及最小實(shí)際過(guò)盈量分別為0.055mm和0.025mm。

如圖3所示，為企業(yè)對(duì)桿盤在壓配前的錠桿的4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，其中精度要求為徑向圓跳動(dòng)公差均為0.01mm。圖中1、2、3、4分別代表檢測(cè)點(diǎn)1、檢測(cè)點(diǎn)2、檢測(cè)點(diǎn)3、檢測(cè)點(diǎn)4。

圖3 桿盤壓配前錠桿檢測(cè)部位圖

圖4為桿盤壓配后的4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，其徑向圓跳度公差分別為：檢測(cè)點(diǎn)1為0.01mm、檢測(cè)點(diǎn)2為0.02mm、檢測(cè)點(diǎn)3為0.03mm、檢測(cè)點(diǎn)4為0.01mm。

圖4 桿盤壓配后錠子檢測(cè)部位圖

1.3 桿盤材料屬性定義

錠子各部分材料屬性定義如表1所示。

表1 錠子材料屬性

錠桿材料GCr15，由于其力學(xué)性能較好，在模擬分析中只需考慮該材料的彈性性能參數(shù)的設(shè)置。

HT200作為錠盤材料，由于力學(xué)性能較差，在壓配過(guò)程中，所受到的應(yīng)力會(huì)超出抗拉的最大極限。因此還應(yīng)考慮錠盤的彈塑性對(duì)問(wèn)題求解的影響，參考表2設(shè)置材料的非線性參數(shù)。

表2 HT200壓縮時(shí)的力學(xué)性能表

2 有限元分析

2.1 實(shí)體建模

在數(shù)值模擬中需要模擬的錠子形狀如圖1所示。由于錠桿和錠盤均是典型的軸對(duì)稱圖形，在分析時(shí)可用二維替代三維，既能簡(jiǎn)化分析和運(yùn)算過(guò)程，又能保證其模擬精度。在建模時(shí)，用自底向上的方法建模。桿盤結(jié)合件的實(shí)體模型如圖5所示，圖（a）為未壓配時(shí)的中間截面的一半的模型，圖（b）為錠桿錠盤中間面旋轉(zhuǎn)360°的模型。

圖5 桿盤結(jié)合件的實(shí)體模型

2.2 接觸處理

錠子在壓配過(guò)程中錠桿和錠盤材料表面有接觸，并隨著擠壓的進(jìn)行，其內(nèi)部也相互接觸。在ANSYS中需要?jiǎng)?chuàng)建“接觸對(duì)”進(jìn)行分析。本次模擬將錠桿的外表面設(shè)定為目標(biāo)面，用毛坯的表面作為接觸面。兩線位置與接觸對(duì)，如圖6所示。

圖6 生成的接觸對(duì)

2.3 網(wǎng)格劃分

由于幾何模型已簡(jiǎn)化為二維，在分析時(shí)應(yīng)選擇二維的單元，錠桿與錠盤制造的精度要求屬于高精度范疇，且到桿盤的圖形較復(fù)雜，故本次分析采用的是PLANE183單元下的自由網(wǎng)格劃分模式。網(wǎng)格劃分示意圖如圖7所示。

圖7 模型與網(wǎng)格劃分

2.4 邊界條件及載荷施加

建立邊界約束條件是有限元分析中的關(guān)鍵部分。本文是對(duì)桿與盤壓配時(shí)的變形情況進(jìn)行分析，考慮到：①壓配過(guò)程中錠桿受到向下的擠壓力；②錠盤受到氣壓機(jī)夾持部位的限制；③錠桿與錠盤為過(guò)盈連接。最終選定的邊界條件及施加的載荷為：①錠盤周圍施加Y方向約束；②在垂直方向上對(duì)錠桿頂部施加約束；③施加桿盤間的約束；④在豎直方向上對(duì)錠桿進(jìn)行剛性位移。錠盤和錠桿的約束位置和方向如圖8、圖9所示。

圖8 錠盤模型的位移約束

圖9 錠桿模型的位移約束

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 模擬結(jié)果

從彈性力學(xué)的角度看，等效應(yīng)力直接影響著零件的強(qiáng)度和壽命。所以把桿盤在各個(gè)位置的等效應(yīng)力作為研究重點(diǎn)。本次試驗(yàn)?zāi)M分析了壓配量分別為3、2.5、2mm時(shí)桿盤的壓配變形。為便于觀察，在模擬應(yīng)力應(yīng)變分析圖時(shí)，選擇顯示錠桿上部及桿盤接觸位置。圖10、圖11、圖12分別為桿盤接觸狀態(tài)非線性、摩擦系數(shù)為0.1、壓配量分別為3、2.5、2mm的情況下的桿盤接觸等效應(yīng)力分析圖。

圖10 壓配量為3mm的等效應(yīng)力分析圖

圖11 壓配量為2.5mm的 等效應(yīng)力分析圖

圖12 壓配量為2mm的等效應(yīng)力分析圖

3.2 數(shù)據(jù)處理

為能夠直觀的看出錠桿錠盤壓配后的變形情況，可對(duì)相應(yīng)的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到檢測(cè)點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)和單元的變形值。由模擬得出的數(shù)據(jù)可知，桿盤壓配后檢測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值在其強(qiáng)度極限范圍內(nèi)，則可用胡可定律計(jì)算其應(yīng)變值：

由應(yīng)變反推，得到：?l=εl

從而得到變形大?。?/p>

在模擬中可知，檢測(cè)點(diǎn)2的應(yīng)力值較大，已超出其彈性范圍。對(duì)于不同壓入量下的檢測(cè)點(diǎn)，其最大變形?lmax的情況，見(jiàn)表3。

表3 桿盤壓配后各檢測(cè)點(diǎn)的評(píng)定參數(shù)和計(jì)算結(jié)果

如表3所示，壓配后幾個(gè)檢測(cè)點(diǎn)處都產(chǎn)生了變形，其中檢測(cè)點(diǎn)2、檢測(cè)點(diǎn)3處變形較大，情況與實(shí)際生產(chǎn)相符合。桿盤在通過(guò)過(guò)盈連接后邊緣應(yīng)力集中的情況與其的外徑尺寸有關(guān)，在其他條件變的情況下，錠盤的外徑尺寸越大，應(yīng)力集中現(xiàn)象越嚴(yán)重。由表中可看出，由于檢測(cè)點(diǎn)2和檢測(cè)點(diǎn)3的直徑尺寸較大，最后的變形量也比較大。因此在錠子裝配設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到這些因素，在檢測(cè)點(diǎn)2、3處的公差較檢測(cè)點(diǎn)1、2大。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

為驗(yàn)證有限元分析方法的可靠性，在不改變錠盤結(jié)構(gòu)以及技術(shù)要求的情況下，改變錠桿公差，找出3組不同的過(guò)盈量。同時(shí)在保持不改變?cè)械膲号涔に嚨那闆r下，對(duì)這3組錠桿錠盤做壓配實(shí)驗(yàn)。3組錠子的徑向圓跳動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表4、表5、表6。

表4 第一組數(shù)據(jù)表（壓入量為3mm）

表5 第二組數(shù)據(jù)表（壓入量為2.5mm）

從表4～表6中可看出，在檢測(cè)點(diǎn)2、3處圓跳動(dòng)誤差比檢測(cè)點(diǎn)1、4要大，同時(shí)第三組（壓入量為2mm）徑向圓跳動(dòng)基本都能滿足公差要求，較第一組（壓入量為2.5mm）和第二組（壓入量為3mm）合格率更高，與模擬仿真結(jié)果完全吻合，表明有限元分析方法用于錠子中桿盤的壓配分析中是切實(shí)可行的。

表6 第三組數(shù)據(jù)表（壓入量為2mm）

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)有限元模擬，分析過(guò)盈量與錠桿錠盤壓配變形的關(guān)系，使其分析過(guò)程比計(jì)算法更可靠，比實(shí)驗(yàn)法成本低。

（2）定量得出，在裝備D32錠子時(shí)較優(yōu)化的參數(shù)：壓入量為2mm，即最大過(guò)盈量為0.04mm。即能夠保證錠子桿盤過(guò)盈連接的可靠性，又得到變形最小的產(chǎn)品。

（3）對(duì)D32錠子的有限元分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，同樣適用于其他回轉(zhuǎn)類工件的研究分析。

[1]朱德昭.細(xì)紗錠子的現(xiàn)狀與展望[J].紡織機(jī)械，2005，（2）：21-23.

[2]陳亞維，李軍.D32錠子桿盤配合過(guò)盈量對(duì)其精度的影響探析[J].中原工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，20（5）：37-40.

[3]呂躍勇.細(xì)紗錠子的技術(shù)進(jìn)步與分析（一）[J].紡織器材，2007，34（6）：423-427.

[4]呂躍勇.細(xì)紗錠子的技術(shù)進(jìn)步與分析（二）[J].紡織器材，2007，34（6）：15-19.

[5]李京，范真，陳祖英，等.細(xì)紗機(jī)錠子有限元分析及減振方法研究[J].現(xiàn)代紡織技術(shù)，2015，（6）：9-12.

[6]李黎明.ANSYS有限元分析實(shí)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005：1，55，140-142．

[7]李景湧.有限元法[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2004：126.

Finite Element Analysis on the Deformation of Pressfitting between Spindle Pole and Spindle Wharve of the Spindle

CHEN Yawei1, ZHANG Wei1, MEI Junge2
(1.Zhongyuan University of Technology, Institute of Electrical and Mechanical, Zhengzhou 450007; 2.Zhongyuan University of Technology, Materials and Chemical Institute, Zhengzhou 450007)

Aiming at the process of the spindle assembly, the spindle pole and spindle wharve in the assembly deformation larger problems, through the finite element analysis software ANSYS on the pressure distribution process simulation analysis change the size of the amount of interference, simulated the pressure of corresponding deformation of stress and strain, surplus amount of rod disc pressure with deformation influence the accuracy of and find out the relative optimization of the parameters of the pressure.

spindle, spindle pole, spindle wharve, finite element analysis, interference