韓士萍

六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，安徽六安，237158

基于COSMOSWORKS懸臂主軸的力學(xué)性能分析研究

韓士萍

六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，安徽六安，237158

采用Solidworks Cosmosworks有限元方法，對(duì)掘進(jìn)機(jī)懸臂主軸進(jìn)行靜態(tài)分析、校核強(qiáng)度并進(jìn)行疲勞壽命分析。與傳統(tǒng)的零件強(qiáng)度校核方法比較，有限元方法更準(zhǔn)確、更符合實(shí)際，得到的分析結(jié)果可以為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、改進(jìn)提供參考，也可以為掘進(jìn)機(jī)的動(dòng)態(tài)性能分析打下基礎(chǔ)。

掘進(jìn)機(jī)；懸臂主軸；強(qiáng)度；疲勞壽命

懸臂主軸是掘進(jìn)機(jī)的工作機(jī)構(gòu)，在以往的設(shè)計(jì)過(guò)程中，如何校核軸的彎扭合成強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，都要經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出具體數(shù)據(jù)和繪制成剪力-彎矩圖和扭矩圖，再代入強(qiáng)度公式判斷，直觀性較差。而有限元分析可以直觀地看到軸的應(yīng)力分布情況。

1 軸的強(qiáng)度分析

某型號(hào)掘進(jìn)機(jī)懸臂主軸既承受扭矩又承受彎矩，是轉(zhuǎn)軸，其尺寸圖如圖1。在強(qiáng)度校核時(shí)，按照彎扭合成強(qiáng)度條件對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。

軸的強(qiáng)度校核計(jì)算：

圖1 軸

(2)校核軸的強(qiáng)度：通過(guò)彎矩和扭矩圖比較，彎矩、扭矩大而軸徑可能不足的截面也就是某些危險(xiǎn)截面，按照第三強(qiáng)度理論，認(rèn)為最大切應(yīng)力是引起屈服的主要因素，代入經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行校核。

按照公式對(duì)軸進(jìn)行粗校核：

圖2 軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖

(3)精確校核軸的疲勞強(qiáng)度：針對(duì)危險(xiǎn)截面，對(duì)軸進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核，設(shè)軸的轉(zhuǎn)矩按脈動(dòng)循環(huán)規(guī)律變化。

危險(xiǎn)截面安全系數(shù)的校核公式：

將有關(guān)參數(shù)帶入計(jì)算可以校核[1-2]。

2 軸的靜態(tài)有限元分析

上述就是傳統(tǒng)的軸設(shè)計(jì)過(guò)程，可見(jiàn)，煩瑣的強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和復(fù)雜的繪圖，不僅易出錯(cuò)，而且準(zhǔn)確性和直觀性都較差。有限元分析可以直觀地看到軸的應(yīng)力分布情況。

(1)建模：參照文獻(xiàn)[3]進(jìn)行。

(2)材料、載荷及制約：利用SolidWorksCosmos對(duì)軸進(jìn)行有限元分析。生成靜態(tài)分析研究，定義材料屬性。截割頭的載荷最終轉(zhuǎn)化到懸臂主軸上，根據(jù)載荷大小，分別在右端花鍵聯(lián)接處施加扭矩、軸向推力及徑向推力。

主軸懸臂中有兩個(gè)軸承支撐，故在軸承安裝處添加合葉約束，如圖4。

圖4 載荷與制約

(3)網(wǎng)格化及有限元分析：生成網(wǎng)格，如圖5。

圖5 網(wǎng)格

網(wǎng)格化后運(yùn)行分析，生成軸的應(yīng)力云圖6。

圖6 應(yīng)力云圖

(4)結(jié)果分析：從應(yīng)力云圖中可以看出，兩個(gè)軸承中間的軸段應(yīng)力較小，這是因?yàn)樵摱尾怀惺軓澗?，而且直徑最大，抗扭截面系?shù)最大。而由于主軸的彎矩主要靠右端軸承安裝處承受，故在右端軸承安裝處出現(xiàn)最大應(yīng)力，數(shù)值為201.1 MPa，小于軸的屈服極限620.4 MPa，軸的強(qiáng)度是足夠的。

理論計(jì)算與仿真符合程度較好，而且利用Cosmos減少了繁瑣的計(jì)算，簡(jiǎn)單、直觀、準(zhǔn)確地看出軸上應(yīng)力、及變形的分布。

選取最大von Mises 失效準(zhǔn)則來(lái)預(yù)測(cè)軸在該載荷下的安全系數(shù)。查看設(shè)計(jì)檢查，如圖7，軸的最小安全系數(shù)發(fā)生在應(yīng)力最大處，最小安全系數(shù)為3.085，可見(jiàn)軸的靜強(qiáng)度是足夠的。該強(qiáng)度分析對(duì)產(chǎn)品的改進(jìn)有一定的指導(dǎo)意義，安全裕度較大，可以根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的壽命適當(dāng)減小軸的直徑。另外，軸承安裝處出現(xiàn)較大應(yīng)力，應(yīng)該保證軸承處的潤(rùn)滑，減小配合部位軸的磨損。

圖7 安全系數(shù)

3 軸的疲勞分析

疲勞強(qiáng)度是一個(gè)累積損傷的過(guò)程，要經(jīng)歷一定的甚至較長(zhǎng)時(shí)間。任何材料都會(huì)發(fā)生疲勞破壞，因此，在設(shè)計(jì)零部件及工程結(jié)構(gòu)時(shí)，必須考慮到材料遭受疲勞破壞的時(shí)限，以免造成不必要的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡事故。雖然軸的靜態(tài)強(qiáng)度滿足要求，但軸在長(zhǎng)期交變應(yīng)力的作用下，會(huì)導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度破壞。截割頭在工作過(guò)程中有進(jìn)給、橫向擺動(dòng)、縱向擺動(dòng)三種工況，且懸臂一直旋轉(zhuǎn)，主軸受到周期載荷作用，必須進(jìn)行疲勞分析[4]。

Cosmos軟件可以根據(jù)材料的屬性自動(dòng)生成S-N曲線，如圖8。

圖8 S-N曲線

疲勞分析是建立在靜態(tài)分析之上的，此次疲勞分析是利用上述靜態(tài)分析的結(jié)果。定義載荷在一個(gè)周期內(nèi)按照對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力變化，建立2×106次循環(huán)的疲勞分析事件，得到安全系數(shù)圖解(圖9)。

圖9 疲勞安全系數(shù)

從圖9可以看出，軸的最小安全系數(shù)為1.004，即在此載荷下，軸經(jīng)歷了最惡劣工況的2×106次循環(huán)后開(kāi)始失效。在實(shí)際掘進(jìn)機(jī)的使用過(guò)程中，一旦出現(xiàn)截割頭卡死，要馬上退出該工作面，重新進(jìn)入，故實(shí)際中軸的疲勞壽命要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于此，其疲勞壽命也能夠滿足井下工作要求[5]。

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)計(jì)算和研究，有限元方法更準(zhǔn)確、更符合實(shí)際，可以取代傳統(tǒng)的零件強(qiáng)度校核方法。得到的分析結(jié)果可以為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、改進(jìn)提供參考。

[1]成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第2卷[M]．4版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：6-41

[2]張黎，馬華．新編機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．北京：人民郵電出版社，2008：6-10

[3]紀(jì)海峰，江濤．SolidWorks 2007應(yīng)用于實(shí)例教程[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2008：15-50

[4]侯波,楊奇順.懸臂式掘進(jìn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)的選擇[J].煤礦機(jī)械，2000(8):6-8

[5]陶永芹.淺談懸臂式掘進(jìn)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)[J].礦山機(jī)械,2005(11):13-14

(責(zé)任編輯：汪材印)

MechanicalPerformanceAnalysisofCantileverPrincipalShaftbasedonCosmosworks

HAN Shi-ping

Department of Mechanical and Electrical Engineering,Luan Vocation Technology College,Luan Anhui,237158,China

Solidworks Cosmosworks finite element method is used for static analysis of the boring machines' Cantilever Principal Shaft,check of the strength and fatigue life analysis.Compared with the traditional strength checking methods of parts,the finite element method is more accurate,more realistic and the results of the analysis provide a reference for design and improvement of the product,as well as lay foundation for dynamic performance analysis on the boring machine.

Boring Machine;Cantilever Principal Shaft;Strength;Fatigue Life

10.3969/j.issn.1673-2006.2013.09.019

TH13

A

1673-2006(2013)09-0071-03

2013-06-04

韓士萍(1974-)，女，安徽六安人，碩士，副教授，主要研究方向：機(jī)械制造及其自動(dòng)化。