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    高速閉式壓力機曲軸的有限元分析

    發布于:2025-01-06 22:35
    有限元分析

          對于一些尺寸和形狀趨向標準化和系列化的沖壓件,通常適合用高速壓力機進行生產,以降低成本、提高勞動生產率。由于壓力機不斷向高速化和重型化發展,對曲軸的要求也越來越高,曲軸作為壓力機的重要零件之一,用來傳遞運動和動力,在工作過程中,既作高速運轉,又要傳遞較大的扭矩,其剛度和強度在壓力機的運轉中起到重要作用。由于曲軸承受復雜的交變載荷,容易產生疲勞失效,因而設計時越來越受到重視。對某高速機床曲軸進行有限元分析,為優化設計提供可靠的理論依據。該曲軸是由兩根曲軸通過聯軸器連接,四個支承點支撐在機身上。
          該高速壓力機是雙點壓力機,取其中一個曲軸,建立力學模型。通過查閱相關資料,通常作用在曲軸上的力可視為均布載荷,支點的距離可看成作用在支撐頸端部r+0.1d處,曲軸材料QT750-4,材料特性:彈性模量E=1.69×1011Pa,泊松比μ=0.305,材料密度ρ=7090kg/m2。
          C-C截面的彎矩為彎扭聯合作用,但由于彎矩比扭矩大得多,故忽略扭矩計算出的應力比考慮扭矩時只差 3%(曲柄轉角在公稱壓力角的情況下)和5%(曲柄轉角在90°情況下)。B-B截面為扭彎聯合作用,但扭矩比彎矩大得多,故可以只計算扭矩的作用。按照上式計算,C-C截面、B-B截面所需材料的屈服極限分別為167MPa、162MPa,所以按此安全系數的材料的屈服強度至少為167MPa。
          運用三維Solidworks建立曲軸的三維模型并導入分析軟件中,然后對其進行材料屬性的添加和網格劃分,在曲軸的支撐端添加固定約束,曲拐部分添加工作載荷,在裝有大齒輪的一端施加扭矩。
          曲軸強度分析主要分析曲軸的應力,在此基礎上計算曲軸的疲勞強度。由上述理論分析得出,曲軸的強度分析可以通過經驗法或者二維有限元算法來校核,但結果很難看出曲軸在工作狀態下,各部分應力的變化情況。因此,建立三維模型進行有限元計算,便于直觀分析曲軸的應力。曲軸最大應力發生在支承頸靠近曲拐的一端,最大為159.92MPa,整體應力在18-71MPa;最大變形發生在曲柄和曲拐上,最大變形值為0.194mm。
          曲軸在工作過程中不斷受到復雜的沖擊載荷,隨之產生橫向、縱向和扭轉振動,當某一激勵力的頻率和曲軸其中一階固有頻率相同或相近時,產生共振,會導致曲軸疲勞斷裂。因此,曲軸的振動分析,特別是低階模態對曲軸的設計和分析具有一定的參考價值。
          一階振型曲軸前后部分彎曲擺動,聯軸器部分的擺動使聯軸器與曲軸接觸處應力增大,給連接帶來安全隱患;二階振型與一階類似,只是方向是上下擺動;三階振型是沿著軸向扭曲,該振型同樣給連接部分帶來安全隱患,使曲軸與聯軸器之間的銷軸應力很大,因此,設計時要計算銷軸的應力,保證設計的可靠性;四階和五階的振型類似,為左右曲軸的曲拐扭轉變形;六階振型為聯軸器部分的扭轉同時帶動曲軸的彎曲變形,該振型的危害是不僅增大了連接部分的應力,還影響曲軸的剛度,從而影響機床精度,設計時應高度重視。
          通過有限元分析可以看出,曲軸最大應力為142.96MPa,應力最大出現在支承頸靠近曲拐的一端,根據理論計算,材料的屈服強度至少為167MPa,證明有限元分析與經驗計算的一致性;而材料QT750-4的屈服強度為420MPa,應力值小于許用應力,曲軸強度符合要求;由于曲軸支承頸和曲柄頸容易產生疲勞,設計時需加以注意。通過模態分析,得出曲軸前六階的固有頻率和振幅,對高速機床曲軸設計具有一定的參考意義,設計者可通過改變曲軸的剛度來改善曲軸的振型變化,從而進行合理設計,避開共振,增強曲軸的可靠性和壽命。



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