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滑塊式萬向接軸允許傾角可達8°，傳遞轉(zhuǎn)矩為30-3000 kN.m，因此廣泛應(yīng)用于大轉(zhuǎn)矩及較大傾角的軋鋼機主傳動中。根據(jù)扁頭或叉頭形狀，可分為閉式、開式和帶筋板式3種形式。當(dāng)前，國內(nèi)外大型軋鋼機因接軸破斷導(dǎo)致企業(yè)長時間停產(chǎn)事件屢見不鮮，所以對接軸的應(yīng)力分析、強度校驗等有普遍的現(xiàn)實和經(jīng)濟意義。萬向接軸的應(yīng)力分析與強度有限元分析常用的方法，有理論分析法、光彈試驗?zāi)M法和有限元法3種。理論分析法作了許多假設(shè)及簡化，計算結(jié)果與試際相差較大，光彈試驗?zāi)M法程序復(fù)雜且試驗成本較高。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，帶動了數(shù)值分析技術(shù)特別是有限元分析技術(shù)的發(fā)展，其計算精度高，可以模擬多種工況，現(xiàn)在應(yīng)用非常廣泛。
滑塊式萬向接軸由扁頭、月牙形滑塊、小方軸、叉頭、青銅滑板等部件組成(如圖所示)。叉頭通過月牙形滑塊傳遞轉(zhuǎn)矩給扁頭，然后由扁頭傳遞給其他工作部件。扁頭由35CrMn制造，彈性模量E=2.1Xe10MPa，泊松比0.28，屈服強度4.4Xe10Pa。對扁頭進行建模，實體模型如圖所示。由于扁頭的結(jié)構(gòu)及所受載荷均對稱，因此采用其結(jié)構(gòu)的一半進行分析。網(wǎng)格劃分時，選擇基于曲率的網(wǎng)格，最小單位大小設(shè)為9 mm，設(shè)定雅各賓式檢查為4，共得到75531個節(jié)點，46392個單元，網(wǎng)格劃分及約束加載如圖所示。據(jù)H.M.曼葉洛維奇試驗得出，開口式扁頭受載面上單位壓力分布如圖所示，單位壓力沿方向呈三角形分布，沿方向為曲面分布。單位壓力計算公式M為傳遞的扭矩，單位kN·m，數(shù)值1392；a為接觸表面沿y方向長度，單位mm，數(shù)值385；b為接觸表面沿方向長度，單位mm，數(shù)值413。
為了便于分析和計算，將曲面分布力進行簡化，并以集中力進行分析計算。作用點為形心G點，即離邊緣b/3和距離接觸面中心線處，如圖所示。當(dāng)萬向接軸傳遞的扭矩為M時，合力計算。本文僅做靜態(tài)時扁頭的應(yīng)力分析，將上式求得的壓力值施加在扁頭接觸表面上，采用限制位移的約束方法對扁頭進行約束。對于受載面，在加載前一定要進行單元耦合剛化處理。有限元求解部分結(jié)果如圖所示。扁頭工作時關(guān)于軸線呈反旋轉(zhuǎn)對稱狀態(tài)運轉(zhuǎn)，受力情況也是呈如此對稱分布。從有限元分析結(jié)果來看，扁頭在額定扭矩作用下，應(yīng)力從扁頭端部至根部逐漸增加，到根部處達最大。最大應(yīng)力的位置是其根部圓角處，說明該處存在應(yīng)力集中。由圖可見，產(chǎn)生的最大應(yīng)力遠小于扁頭材料的屈服應(yīng)力440 MPa，最小安全系數(shù)達到4.3，如圖所示，這表明扁頭的原始設(shè)計是比較合理的。扁頭受載后產(chǎn)生彈性變形，由于非均勻分布力的作用產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)的綜合變形，其變形后扁頭輪廓的位移變化見如圖所示。由于傳動系統(tǒng)在運動過程中存在扭矩振動，會產(chǎn)生扭振放大系數(shù)，使傳動載荷加重，從圖可見扁頭還允許較大過載。
根據(jù)經(jīng)典公式計算扁頭所受最大等效應(yīng)力得到如表所示的結(jié)果。對比有限元分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)采用計算的誤差較大，最大達到了5600(根據(jù)第四強度理論計算)，最小也有4600(根據(jù)文獻提供的新公式)，這與文獻所述基本吻合。對于開口式扁頭，文獻給出的新計算公式充分考慮了應(yīng)力集中，更為精確地反映了真實應(yīng)力水平。
本文所建模型與分析，與同類型的扁頭分析結(jié)果基本是吻合的，整體變形與應(yīng)力分布規(guī)律也是基本一致的。由分析結(jié)果得出的危險區(qū)域與實際生產(chǎn)中扁頭斷裂的位置也是相同的，可見本文所建模型與分析是合理的。雖然理論計算與實際存在較大誤差，但可將理論計算結(jié)果放大40%到60%來粗略估算扁頭所受最大應(yīng)力。此外采用有限元法分析時，一旦建立合理的有限元模型，可利用數(shù)值計算方法，模擬出不同載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力分布，可全方位地反映出扁頭的受力狀態(tài)，所得出的結(jié)果準(zhǔn)確度較高，有一定的參考意義，可為進一步的整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化打下基礎(chǔ)，還可有效地減少試驗成本。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設(shè)計│有限元分析│強度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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