曲轴设计中受力分析

摘要:曲轴强度分析是压力机设计中的一个关键环节。曲轴的几何形状、边界条件和作用载荷都极其复杂,要想得到精确的计算结果,计算模型的选择极为重要。曲轴工作过程中所受载荷极其复杂,计算中采用整体曲轴梁单元法计算曲轴变形和轴承负荷,应用有限元法计算曲轴应力。但实际曲轴工作时处于复杂受力状态,建模过程中简化不当会使计算结果产生较大误差。因此对曲轴进行了符合实际情况的三维实体有限元建模,为保证计算精度,单元网格的划分有一定密度,薄弱部分还应进行细分,对整根曲轴进行了应力计算,并对曲轴疲劳安全系数进行了校核。

关键词:压力机设计;曲轴设计;有限元;受力分析

中图分类号:TH457文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)03-0006-02

锻压生产在工业生产中占有重要的地位,而在锻压机械中,又以曲柄压力机最多,占一半以上。用曲柄压力机可以进行冲压、模锻等工艺,广泛用于汽车、农业机械、电器仪表、国防工业以及日用品等生产部门。随着工业的发展,曲柄压力机的品种和数量愈来愈多,压力愈来愈大。曲柄压力机在机械制造业以及其他工业的锻压生产中的作用愈来愈显著。而曲轴又是压力机的重要部件之一,受力复杂,其强度和刚度对压力机的正常运转至关重要。曲轴强度和刚度的分析是压力机设计中的一个关键环节。由于曲轴的几何形状、边界条件和作用载荷都极其复杂,要想得到精确的计算结果,计算模型的选择极为重要。它的强度是限制滑块负荷大小的主要因素,从而决定了压力机的滑块许用负荷图;曲轴的刚度分析也很重要,如果曲轴弯曲刚度不足,就会大大恶化连杆、滑块等重要零件的工作条件,影响它们的工作可靠性和耐磨性。

一、压力机曲柄曲轴机构的运动规律

如图1所示。要分析曲轴的受力,首先从曲柄压力机的工作原理中去分析。曲轴旋转时,在每个方向上受力都不同,因此在旋转时既受到拉压力又受到扭矩作用。

二、曲轴的强度分析和受力分析

(一)曲轴的强度分析

曲轴强度计算的主要工作是曲轴的应力计算,在此基础上计算曲轴疲劳强度。一般情况下曲轴强度计算可以用经验算法或者二维有限元算法来校核,其计算结果有一定的参考价值和可信度,但是两种算法结果都难以看到应力随曲轴工作时的变化情况,实际上曲轴工作时处于复杂受力状态,建模过程中简化不当会使计算结果产生较大误差。在此我们对JB23-63曲柄压力机的曲轴进行三维有限元计算。

(二)曲轴的受力分析

曲轴的强度计算所考虑的载荷,从上面曲柄曲轴机构的运动规律图中可以看出,除滑块通过连杆传到连杆轴颈上的力之外,还应考虑曲轴本身不平衡的惯性力,即曲轴是在往复和旋转运动质量的惯性力以及它们的力矩(扭矩和弯矩)共同作用下工作的,使曲轴既扭转又弯曲,产生疲劳应力状态。曲轴结构强度研究的重点是弯曲疲劳强度。作用于曲轴的弯曲载荷如图2所示:

1.载荷的处理(图2)。(1)滑块连杆组的惯性力Pr1,按分布力作用于曲轴轴颈内侧表面;(2)曲轴轴颈惯性力Pr2,按分布力施加于曲轴轴颈中心;(3)平衡块的惯性力Pr3,按集中力施加于每个平衡块的质心。

2.约束的处理。在进行有限元计算时,在计算模型上须施加一定的约束。本次计算的约束处理除机体与主轴颈的联接关系外,曲轴的输出端还要加上止推和止旋约束。

3.曲轴的应力分析。曲轴应力分析是采用有限元方法(使用ANSYS有限元分析软件)计算曲轴的应力。在对曲轴进行有限元模拟分析时,由于曲轴是形状不规则的长轴类零件,具有轴线不连续、直径变化大等特点。但是从总体上看,曲柄压力机的曲轴是关于通过它们中心线面的对称体,所以对曲轴进行有限元模拟分析时可以选取整体曲轴作为研究对象。对整体曲轴计算模型的建立,是通过实体建模建立的整体模型。本文在用ANSYS进行划分网格时,考虑到轴颈过渡圆角部分应力集中相当严重,对过渡圆角处的网格进行了细化处理。整个曲轴采用的单元特性是global,再而进行局部细化控制划分,其余部分利用有限元程序自动生成。从分析中可以可以看出,在图4可以看出在连杆轴颈过渡圆角处和主轴颈根部过渡圆角处,均出现应力集中现象,其联接两个应力集中区的断面即是该曲轴的最危险断面。曲轴的疲劳破坏将会沿着该断面发生。

三、曲轴刚度分析

(一)挠度的计算

曲轴进行了强度计算之后还需要进行刚度计算,为了提高曲轴刚度,力求加粗曲轴各轴颈、缩短支点间距离。图4为曲轴刚度计算简图。用摩尔公式,按变截面梁可算出曲柄颈中点的挠度δ。

由于很小以忽略,简化为:

式中Pg ―― 公称压力(N);E ―― 弹性模量,对钢曲轴E=2.1×1011(N/m2);la――曲柄颈长度(m);

b――曲柄臂厚度(m);r――圆角半径 (m);J1,J2,J3――支承颈,曲柄臂,曲柄颈的惯性矩(m4);

(3)

d0,dA支承颈,曲柄颈的直径(m);h曲柄臂高度(m);a曲柄臂宽度(m);c曲柄臂形心至曲柄颈形心的距离(m)。

用上述公式计算JB23-63压力机曲柄颈中点的挠度值为0.060mm,而此轴的实测挠度值为0.06241mm,误差为4%左右。

(二)利用有限元分析曲轴

1.曲轴的材质性能。在上面曲轴的应力分析中,我们知道曲轴的形状和结构,利用Solidworks材质库中的合金钢[SW],材料模型为线性弹性同向性,材质属性见表1:

2.有限元网格划分和结果分析。有限元分析中经常碰到的问题是网格应如何划分才能得到合理的结果,因为没有确定的判别准则,用户必须根据自己的要求进行选择。本文在指定网格划分方式时,选择了Solidworks中自动生存的网格对曲轴三维实体进行网格划分,并进行计算分析,见表1:

四、结论

通过对曲轴的受力分析,使我们知道曲轴在什么位置是危险面,什么位置变形最大,对以后工程设计起到借鉴作用。对曲轴危险面进行相应的处理,对曲轴尺寸进行设计和改进并得到最优解,从而能够大大减小曲轴研究与设计的工作量,提高产品质量。

参考文献

[1]何德誉.曲柄压力机[M].北京:机械工业出版社,1981.

[2]尹建民.X6135柴油机曲轴强度的三维有限元研究[J].内燃机工程,1997,(2).

[3]杜发荣,姬芬竹,等.YT1115型柴油机曲轴疲劳强度分析[J].洛阳工学院学报,2001,(3).

[4周志鸿,等.基于ANSYS的曲柄压力机曲轴刚度分析[J].锻压技术,2007,(10).

作者简介:何仁财(1981-),男,江西东乡人,南昌大学建筑工程学院研究生,助理工程师,研究方向:流体力学计算及其工程应用。