精川介绍联轴器强度计算与分析 - 沧州冀源铸业有限公司

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精川介绍联轴器强度计算与分析

发布时间:2013-10-10

联轴器强度计算与分析:
     联轴器是机车传动的关键部件,某厂在新车投入使用前试车的过程发现有部分的联轴节由于制动和启动过程中的冲击而断裂。对联轴节进行检验完全符合设计的图纸要求,且已知联轴节为铸造,回火热处理温度为450℃。为进一步找出联轴节断裂原因,采用有限元方法对联轴节的应力分布进行分析,然后在此基础上进行结构改进。结合有限元方法对零构件的结构进行力学分析,在此基础上对零件的应力集中进行优化处理将是不同于以往结构优化的优化方法新趋势。
1、强度计算与分析
  1.1强度估算
  联轴节结构主要尺寸参数:扭矩为T1=10000Nxm(考虑冲击载荷);爪盘材料:ZG310-570(σs=310MPa,σb=570MPa)。
  (1)计算单个爪盘转矩T2=T1/n1=10000/6Nxm(1)式中:n1为爪盘爪数,n1=6;由于在计算T1时考虑了冲击载荷影响,即相当于计算了工况系数,因此不必再乘以工况系数KA。
  (2)危险截面强度①许用应力[σ]
  [σ]=σs/n2式中:n2为工况系数,根据车的运行情况取n2=1.4则:[σ]=310/1.4=221.43MPa(2)②许用剪应力[τ]=0.8×[σ]=190.8MPa(3)③危险截面上的强度τ=F/A=T2/(rxA)式中:r表示断裂处与中心之间的距离,根据实际中的测量得r≈0.145m;A为断裂处截面面积,A≈0.0023m2。
  则:τ=1667/(0.0023×0.145)=4.998MPa(4)1.2断口分析
  根据联轴节断口的宏观检测,可看出该联轴节材质组织不均匀,各区域间结晶体排列无序,在断口部分有明显的纵向结晶和横向结晶区域,部分区域存在结晶粗糙、有夹杂等铸造缺陷,断口没有塑性变形痕迹,可初步断定为典型的脆性断裂特征。整个断口新鲜,无氧化和腐蚀(锅炉腐蚀状况研讨)现象,这说明裂纹从产生到断裂是在较短的时间内完成,从非断口面看,在断裂处的两侧面有明显的加工刀痕,此位置极易产生表面微裂纹。
  为进一步了解内部的材质组成情况,对联轴节进行扫描电镜分析。在扫描电镜下可以观测到一些聚积的石墨晶体,在不同的区域还有点状石墨晶粒。由于石墨的强度很低,在石墨聚积的地方就相当于裂纹和气穴,从而大大降低了联轴节的强度,在应力集中的部位引起断裂。联轴节内部存在着形成微裂纹原因的夹渣氧化物。
  1.3优化前有限元分析
  联轴器工作时,在6个爪上所受的为单向扭矩,每个爪的受力情况相同。在有限元分析过程中,由于联轴节成对称结构,为了减少运算过程的计算量,取其中的1/6进行分析,然后将所得的结果推广到整个联轴节。
  1.3.1建立目标函数
  由于角度  为达到应力最小的目的,在其它的因素不改变的情况下,应使力最小,建立如下目标函数:M=∫sBqLcos  现将均布载荷以bc面中点的集中力F代替,则目标函数简化成:
  M=LFcos  F=M/Lcos  1.3.2建立有限元模型
  利用PRO/E建模后将联轴节1/6模型导入ANSYS建立有限元分析模型。在划分网格时,取8结点的Brick8node45,以尺寸4划分网格后。
  施加约束:因为联轴节与轴装配的过程中表面可视为固联,所以在施加约束时将联轴节的内表面自由度全部约束,并对1/6联轴节的两截面施加对称约束。
  施加载荷:在实际的运算中,应对受力面上的均布载荷积分;但根据简化情况,由于在受力面的中心(即力的作用点)的两力均布力的分布对称,所以按集中力计算后将结果平均到受力面上,以便在ANSYS中施加压力载荷。
  可列出如下计算式:F=M/Lcos  有限元分析:所有前处理条件确定后利用ANSYS进行分析得到的应力云图。
2、分析及改进措施
  基于以上有限元分析结果可以明显看出,正是在联轴节最薄弱的部位出现了应力集中现象,加之加工过程中工艺不当产生的夹渣和碳粒粗大,从而联轴节在受启动或制动过程中的冲击载荷而断裂。
  2.1联轴节结构改进和分析
  2.1.1结构改进
  为使应力均匀分布到整个面1,对联轴节的结构进行改进,使得在装配后不存在缝隙。这样一方面对应力分布进行改进,同时也可以增加薄弱部位的厚度,从而提高联轴节的强度。
  将对照零件图1主要作了2个尺寸的修改,第一是接触面与中心线的夹角由原来的15°改为9°,从而使两联轴节装配后两个接触面能达到完全面接触;第二是将原来的R50改为R42,这一方面是对应于前面的改变做出相应变化,另一方面也是增加薄弱部位的厚度。这两个改变仅仅反应的是一种变化的趋势,并不是唯一的,但必须要能满足面接触的要求。
  2.1.2改进后有限元分析
  有限元分析的前面步骤与前面对改进分析一致,只是由于面力q的变化从而面载荷发生相应变化。
  计算面力:改进后的受力角  F=M/Lcos  q=F/S=9523.81/(60×100)=1.5873N/mm2(12)施加载荷:仍然按照改进前以在压力的加载方法加载,只是由于改进后没有缝隙的存在,应该均匀的加在整个面上。
  有限元分析:所有前处理条件确定以后,对有改进后有限元模型进行分析。可见,改进后的应力分析发生了相应的变化。应力的最大值出现在黑色圆圈处。
  2.2工艺改进
  在前面的扫描电镜分析中,可以清楚的看到联轴节粗大的碳粒,这说明在热处理过程的工艺不恰当,使零件在处理后产生了明显的纵向结晶和横向结晶,从而大大降低了联轴节的强度。钢在回火过程中存在回火脆性,回火脆性是一些低合金钢和合金钢中常见的有害现象,钢的回火脆性产生主要原因是工件淬火处理后,在375~575℃回火区间保温或缓冷,此时杂质元素(P、Sn、Sb等)偏聚到晶界上,降低晶界结合强度。
回火脆性根据其产生的温度范围可分为两类:
①350℃脆性,常被称为第一类回火脆性,也叫不可逆脆性,通常被认为是因为ε碳化物转变为Fe3C相变反应而造成的;
②350~550℃脆性,又常被称作第二回火脆性,它是一种可脆性,这脆性比较肯定的是杂质元素P、As、Te、Bi、Sn、Sb等向晶界偏聚造成的。另外,根据危险截面的强度可以明显的看出:实际中的强度远远低于许用应力,由此加工过程中的刀痕也大大降低了零件的强度。
基于以上分析对联轴节的工艺作如下改进:
      ①在联轴器的制造过程中,降低的回火温度为低温回火。
  ②降低材料中的含碳量。
  ③改铸件为锻件,表面进行喷丸处理,同时对成品无损检测。
3、结束语
  联轴节为机车的关键零件,一旦失效机车将无法运行,且维修更换相当复杂。因此设计时不但要从材料、结构进行综合性能优化,而且必须对加工工艺进行严格合理的优化,以确保实际运营中的安全可靠。通过利用有限元对爪式联轴器进行分析,在此基础上对其进行改进后,应力的最大值由原来的53.5MPa变化到37.9MPa,应力集中在优化后减小了接近30。当然这种改进并不能完全体现实际中的真实情况,因为实际应用中还有变形、冲击、磨擦等因素的影响,但是通过这样的优化以后应力集中的变化趋势是完全符合理论和实际的。通过分析比较,对爪式联轴器结构改进有很大的帮助。同时这一方法也能普遍应用于工程实际中其它零件的失效分析,以便解决工程实际问题。