JWF1278型精梳機錫林殼體靜力結(jié)構(gòu)分析

吳云珍

（經(jīng)緯智能紡織機械有限公司，山西 晉中 030601）

0 引言

新型JWF1278型精梳機圍繞先進技術(shù)裝備要求，在高速變速梳理技術(shù)、鉗板傳動結(jié)構(gòu)、分離羅拉運動機構(gòu)、牽伸技術(shù)機構(gòu)等核心技術(shù)方面體現(xiàn)出了優(yōu)良的設(shè)計和制造特點［1］。錫林殼體是精梳機圓梳部件上的重要零件，它通過兩組螺栓聯(lián)接抱緊在錫林軸上，隨錫林軸一同做回轉(zhuǎn)運動，從而帶動錫林轉(zhuǎn)動。經(jīng)緯智能紡織機械有限公司JWF1278型精梳機錫林殼體采用壓鑄鋁合金輕質(zhì)材料，減少了組件的轉(zhuǎn)動慣量，適應(yīng)高速圓周變速運動，但是對加工和裝配的精度提出了更高的要求。在安裝錫林殼體時，螺栓的擰緊力矩非常關(guān)鍵，若擰緊力矩過大，會造成錫林殼體的變形損壞；若擰緊力矩過小，則可能會使錫林殼體與錫林軸在高速運行時出現(xiàn)相對滑動現(xiàn)象。為此，有必要對安裝錫林殼體時所需的螺栓預緊力進行計算，得出比較合理的擰緊力矩值，為設(shè)計人員提供理論參考依據(jù)。而要計算出準確的螺栓預緊力，首先必須知道錫林殼體在工作狀態(tài)下承受的最大扭矩，然后計算出錫林殼體所需的最大靜摩擦力，接著由此計算出錫林殼體對錫林軸的最大正壓力，最后計算出抱緊螺栓所需的預緊力大小。

本文通過計算得出JWF1278型精梳機錫林殼體抱緊力，估算錫林殼體抱軸的螺栓預緊力及擰緊力矩大小，在Creo 4.0軟件中建立錫林殼體螺栓聯(lián)接組件的三維模型，再導入ANSYS Workbench軟件中對其進行靜力結(jié)構(gòu)分析。

1 錫林殼體的受力分析

JWF1278型精梳機圓梳部件主要由錫林軸、錫林、平衡板、錫林殼體組成，如圖1所示。錫林軸共帶動8組錫林殼體結(jié)合件運轉(zhuǎn)，每組錫林殼體結(jié)合件包括2個錫林殼體、1個錫林、1個平衡板。其中，每個錫林殼體與錫林軸均由兩組螺栓抱緊在一起。錫林軸轉(zhuǎn)動時帶動錫林轉(zhuǎn)動，故錫林軸對錫林殼體的正向摩擦力是錫林殼體能轉(zhuǎn)動起來的動力，也是使錫林殼體能轉(zhuǎn)動的最小動力。若能算出此正向摩擦力值，便可以估算出錫林殼體所受的正壓力，從而得到錫林殼體的抱緊力大小。

圖1 JWF1278型精梳機圓梳部件

1.1 計算錫林軸最大角加速度

在Creo 4.0軟件中分別對主動非圓齒輪與從動非圓齒輪進行敏感度分析，取最小分度為0.1°，則沿非圓齒輪一周有3 600個分度，以一對非圓齒輪分度圓上嚙合的初始位置為起點，得到主動非圓齒輪和從動非圓齒輪旋轉(zhuǎn)一周各分度的位移S1和S2，從而可以計算出一對非圓齒輪的傳動比i＝S2／S1，再根據(jù)電機轉(zhuǎn)速n及兩級非圓齒輪的傳動比計算出錫林軸在各分度的轉(zhuǎn)速n1＝i2n，然后計算出錫林軸在各分度的角速度ω＝2πn1／60，最后計算錫林軸的角加速度α＝Δω／Δt（Δω為相鄰兩個分度角速度的變化值，Δω＝Δω（k＋1）－Δωk，k＝1，2，…，3 600，Δt為與轉(zhuǎn)速n1相對應(yīng)的時間間隔）。

取正常工況下S1＝39.043mm、S2＝48.183mm、n＝500r／min。計算得：i＝1.234 1，n1＝761.5r／min，ω＝79.7 rad／s，Δt＝60／（3 600n1）s，Δω＝0.049 7rad／s，則錫林軸的最大角加速度α＝Δω／Δt＝2 270.75rad／s2。

1.2 計算錫林殼體最大扭矩

在Creo 4.0軟件中建立一組錫林殼體結(jié)合件的三維模型，測得其轉(zhuǎn)動慣量J＝6.42×10－3kg·m2，則其轉(zhuǎn)矩T1＝Jα＝6.42×10－3×2 270.75N·m＝14.58N·m。

根據(jù)設(shè)計人員提供的經(jīng)驗值，錫林軸在錫林梳理時承受的扭矩大約為M＝15N·m，因錫林軸同時帶動8組錫林進行梳理，所以平均分配到每個錫林上的梳理力矩M′＝M／8＝1.875N·m。因錫林在梳理時還需克服梳理力矩的作用，則錫林殼體結(jié)合件在高速圓周變速運動時所承受的最大扭矩T2為其轉(zhuǎn)矩與錫林上的梳理力矩之和，即T2＝T1＋M′＝16.455N·m。則分配到每個錫林殼體上的扭矩T＝T2／2＝8.23N·m。

1.3 計算錫林殼體的抱緊力

已知錫林軸半徑r＝15mm，可以計算出錫林殼體所受正向摩擦力：

錫林殼體材料為YL112，錫林軸材料為55鋼，錫林軸與錫林殼體之間的摩擦因數(shù)μ＝0.17［2］，則錫林殼體所受正壓力為：

即錫林殼體對錫林軸的抱緊力為3 227.47N。

2 估算螺栓預緊力

首先需要估算錫林殼體抱緊力與螺栓預緊力的關(guān)系。現(xiàn)將錫林殼體受到的螺栓預緊力模型簡化為力學模型，如圖2所示。測得錫林殼體內(nèi)側(cè)曲面半徑R＝15mm，錫林殼體軸心距螺栓中心距離為24.42mm。在螺栓預緊力F0作用下，錫林殼體抱緊力F1作用面其實是分布在錫林殼體整個內(nèi)側(cè)面。假設(shè)在螺栓預緊力作用下，錫林殼體還未發(fā)生變形，則錫林殼體抱緊力F1應(yīng)發(fā)生在圖2所示位置處。經(jīng)測量圖2所示夾角θ＝38°，則：

根據(jù)擰緊力矩T′≈0.2F0d［3］（d為螺栓的公稱直徑，d＝8mm）估算擰緊力矩：

在這里取整值，即T′＝7N·m，故可以得出錫林殼體抱軸的螺栓聯(lián)接擰緊力矩至少為7N·m。

3 錫林殼體靜力結(jié)構(gòu)分析

3.1 簡化模型及設(shè)置材料屬性

在Creo 4.0中建立錫林殼體螺栓聯(lián)接組件的三維模型，簡化螺栓、螺母的幾何模型，確保零件之間沒有干涉現(xiàn)象，簡化后的錫林殼體螺栓聯(lián)接組件三維模型如圖3所示。將簡化后的錫林殼體螺栓聯(lián)接組件三維模型導入到ANSYS Workbench軟件的靜力結(jié)構(gòu)分析模塊（Static Structural）中進行分析。

圖2 錫林殼體抱緊力與螺栓預緊力關(guān)系簡化模型

圖3 錫林殼體螺栓聯(lián)接組件三維模型

錫林殼體材料為YL112，螺栓螺母材料為不銹鋼，它們的材料屬性如表1所示［4］。

表1 零件材料及屬性

3.2 設(shè)定接觸類型和劃分網(wǎng)格

在靜力結(jié)構(gòu)分析模塊的機械模型（Mechanical）界面中，采用手動方式為錫林殼體、螺栓、螺母進行接觸設(shè)置，將錫林殼體與螺栓、錫林殼體與螺母、螺栓與螺母之間的接觸均設(shè)置為綁定（Bonded）連接。錫林殼體采用高階的四面體網(wǎng)格（Tetrahedrons）劃分生成四面體單元，設(shè)置其網(wǎng)格尺寸為3mm；螺栓和螺母采用多區(qū)網(wǎng)格（MultiZone）劃分生成六面體單元，設(shè)置其網(wǎng)格尺寸為2mm。進行網(wǎng)格劃分后，檢查網(wǎng)格單元質(zhì)量為0.76，網(wǎng)格傾斜度為0.33。查網(wǎng)格傾斜度質(zhì)量評估表可知此網(wǎng)格劃分單元質(zhì)量較好［5］。

3.3 邊界約束條件

正常工況下，錫林殼體隨錫林軸在做高速圓周變速運動，選取錫林殼體在承受最大扭矩時的狀態(tài)作為研究對象進行靜力結(jié)構(gòu)分析。假設(shè)錫林殼體與錫林軸之間無軸向滑動，也無相對轉(zhuǎn)動，錫林殼體向外可以徑向膨脹，所以在錫林殼體內(nèi)側(cè)與錫林軸抱緊的圓柱面上施加圓柱支撐約束（Cylindrical Support），設(shè)置軸向（Axial）和切向（Tangential）均為固定約束（Fixed），徑向（Radial）為自由約束（Free）。施加旋轉(zhuǎn)速度（Rotational Velocity），轉(zhuǎn)速方向為錫林軸的旋轉(zhuǎn)方向，轉(zhuǎn)速n1＝761.5r／min。施加兩組螺栓預緊力（Bolt Pretension），預緊力方向分別沿各自螺栓軸方向，預緊力F0＝4 095.72N。錫林殼體螺栓聯(lián)接組件被施加約束和載荷后如圖4所示，其中，A處施加圓柱支撐約束，B處施加轉(zhuǎn)速，C處和D處分別施加螺栓預緊力。

圖4 錫林殼體螺栓聯(lián)接組件約束及載荷

3.4 靜力分析結(jié)果

設(shè)置完成后，進行求解并查看分析結(jié)果。錫林殼體等效應(yīng)力分布云圖如圖5所示，最大應(yīng)力約為176.16 MPa，位置在錫林殼體內(nèi)側(cè)圓柱曲面的邊上。錫林殼體總形變分布云圖如圖6所示，最大形變約為0.08mm，發(fā)生在殼體夾緊錫林軸的頂端開口處。

圖5 錫林殼體等效應(yīng)力分布云圖

圖6 錫林殼體總形變分布云圖

因錫林殼體材料YL112屬脆性材料，所以采用第一強度理論［6］來對分析結(jié)果進行評估。插入應(yīng)力工具（Stress Tool）下的最大拉應(yīng)力（Max Tensile Stress）理論，選擇默認應(yīng)力極限類型（Stress Limit Type）為材料的拉伸極限，通過評估計算得出錫林殼體的最小安全系數(shù)（Safety Factor）為3.07，如圖7所示。由此最后得出結(jié)論，在此工況下錫林殼體的強度和剛度均滿足要求，可以安全可靠地運轉(zhuǎn)。

圖7 錫林殼體安全系數(shù)分布云圖

3.5 參數(shù)化分析

將錫林殼體螺栓聯(lián)接組件邊界約束條件中的兩組螺栓預緊力設(shè)為輸入?yún)?shù)，錫林殼體的最大應(yīng)力、最大形變、最小安全系數(shù)設(shè)為輸出參數(shù)。以預緊力大小4 095.72N為參考值，在參數(shù)設(shè)置（Parameter Set）中設(shè)置不同的輸入?yún)?shù)值，再進行參數(shù)化分析，結(jié)果如表2所示。

表2 參數(shù)化分析結(jié)果

由表2中可知，當螺栓預緊力增大至7 500N時，錫林殼體的最大應(yīng)力已經(jīng)超過了材料的拉伸極限，所以螺栓預緊力最大不能超過7 500N。再根據(jù)擰緊力矩公式估算最大擰緊力矩T′＝0.2F0d＝12N·m，故得出：錫林殼體抱軸的螺栓聯(lián)接擰緊力矩至少為7N·m，最大不能大于12N·m。

4 結(jié)語

本文首先通過計算得出JWF1278型精梳機錫林殼體對錫林軸的抱緊力，并估算出錫林殼體上兩組螺栓聯(lián)接的預緊力及擰緊力矩大小，再對錫林殼體螺栓聯(lián)接組件進行靜力結(jié)構(gòu)分析，得出如下結(jié)論：錫林殼體在承受最大扭矩工況下，其強度和剛度均滿足要求，且能安全可靠地運行。最后對錫林殼體螺栓聯(lián)接組件邊界約束條件中的兩組螺栓預緊力的大小進行參數(shù)化分析，得出合理的螺栓聯(lián)接擰緊力矩范圍，可為設(shè)計人員及裝配人員提供理論參考。