采棉頭座管內(nèi)彈性銷失效的力學(xué)分析

周文卿 安貴杰 閆 哲 張有強(qiáng)

（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾843300）

新疆是中國(guó)最大的棉花生產(chǎn)基地，具有較高的機(jī)械化生產(chǎn)水平。2018 年，新疆棉花總產(chǎn)量占全國(guó)的83.3 %，兵團(tuán)機(jī)采棉面積達(dá)1 000 萬畝，共擁有采棉機(jī)3 600臺(tái)［1］。采棉機(jī)的采摘作業(yè)具有較強(qiáng)的連續(xù)性與季節(jié)性，氣候因素和田間環(huán)境對(duì)采棉機(jī)內(nèi)部部件的影響較大。為了保證采棉機(jī)的作業(yè)質(zhì)量，需要經(jīng)常對(duì)采棉機(jī)采棉頭進(jìn)行檢查和維護(hù)。彈性銷作為采棉頭中關(guān)鍵零件，常出現(xiàn)裂紋、斷裂等故障，導(dǎo)致采棉機(jī)摘錠無法進(jìn)行正常采摘，是影響采棉機(jī)采凈率的重要因素，對(duì)棉花搶收生產(chǎn)造成巨大損失。

銷連接是機(jī)械設(shè)備中常用的一種連接方式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，連接迅速等特點(diǎn)［2］。當(dāng)采棉機(jī)連續(xù)采摘作業(yè)達(dá)到300 hm2，彈性銷容易失效，其主要失效形式是疲勞引起的彈性消失和斷裂。為了提高銷子的可靠性和使用壽命，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其制造材料、結(jié)構(gòu)、加工及裝配工藝等進(jìn)行了大量的研究［3-10］。郭弘等［11］從彈性銷的化學(xué)成分、硬度及金相組織進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)原材料中的帶狀組織是其產(chǎn)生裂紋的重要原因，提高熱處理工藝能使彈性銷的性能得到改善。史秋月等［12］從彈性銷斷裂的形貌特征及顯微組織等進(jìn)行研究，表明零件的應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致了其最終的疲勞斷裂。王榮榮等［13］建立了圓柱銷的三維模型，利用ANSYS 軟件對(duì)其裝配過程預(yù)應(yīng)力進(jìn)行仿真，得到銷子的接觸壓力分布規(guī)律。劉鋒等［14］通過對(duì)長(zhǎng)銷和短銷兩種彈性銷進(jìn)行有限元分析，提出兩短銷串聯(lián)替代長(zhǎng)銷能延長(zhǎng)銷子的使用壽命。采棉頭座管內(nèi)的彈性銷使用工況更加惡劣復(fù)雜，其損耗過快是采棉機(jī)檢修過程中重大問題。

本文在分析采棉頭座管結(jié)構(gòu)與彈性圓柱銷的工作原理基礎(chǔ)上，建立彈性圓柱銷的三維模型，利用COMSOL軟件進(jìn)行有限元分析，探究不同安裝方式下彈性銷的力學(xué)性能，為提高采棉頭座管內(nèi)彈性銷的可靠性提供理論依據(jù)。

1 采棉頭座管內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

采棉機(jī)的采棉頭座管內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由摘錠、座管、驅(qū)動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)齒與彈性銷等組成。采棉機(jī)進(jìn)行采摘作業(yè)時(shí)，摘錠驅(qū)動(dòng)軸在驅(qū)動(dòng)器的作用下開始轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)齒通過彈性銷固定連接在驅(qū)動(dòng)軸上，彈性銷將驅(qū)動(dòng)軸的動(dòng)力傳遞到驅(qū)動(dòng)齒，驅(qū)動(dòng)齒帶動(dòng)摘錠旋轉(zhuǎn)，然后由高速旋轉(zhuǎn)的摘錠開始采摘棉花［15-16］。

圖1 采棉機(jī)采棉頭座管內(nèi)部結(jié)構(gòu)

彈性圓柱銷在采棉頭座管內(nèi)主要作用為固定連接與動(dòng)力傳遞，采棉機(jī)在棉田不平整度的影響下機(jī)身無法避免產(chǎn)生振動(dòng)，彈性銷的彈性能有效地緩解吸收座管內(nèi)部部件之間的沖擊和振動(dòng)。

圖2 國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口彈性圓柱銷

圖2是國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口的彈性圓柱銷，其中國(guó)產(chǎn)銷槽口較寬，倒角角度較大，制造材料為錳鋼，厚度約為0.78 mm，具有較高的強(qiáng)度和彈性；進(jìn)口銷一般參照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASME B18.8.2 規(guī)范生產(chǎn)，其槽口與倒角角度較小，易于安裝入位，制造材料為彈簧鋼，厚度約為0.81 mm，其彈性與剛性較好，且耐疲勞、抗剪切性能優(yōu)良。

2 彈性銷力學(xué)分析

2.1 建立模型

GB-879 彈性圓柱銷是采棉機(jī)使用與維護(hù)中應(yīng)用最廣泛的一種，其制造材料為65 Mn，彈性模量為206 GPa，密度為7 830 kg/m3，泊松比為0.3，公稱直徑為2. 5 mm，公稱長(zhǎng)度為30 mm［14，17］。采用PRO/E 軟件建立彈性圓柱銷的三維模型，然后將其導(dǎo)入COMSOL 軟件中進(jìn)行靜力學(xué)分析。利用布爾操作和分割在彈性銷表面建立棱線，以便后續(xù)邊界條件的設(shè)定，彈性圓柱銷模型及棱線的建立，如圖3所示。

圖3 彈性圓柱銷幾何模型

模型網(wǎng)格劃分的單元大小選擇超細(xì)化，其網(wǎng)格單元屬性，如表1所示。處理后的完整網(wǎng)格包含8 461個(gè)域單元，4 602個(gè)邊界元和534個(gè)邊單元，如圖4所示。

表1 網(wǎng)格單元參數(shù)

2.2 約束和加載

為了探究彈性圓柱銷在不同安裝方式下的受力特性，將分為槽口向垂直方向和水平方向兩種安裝形式進(jìn)行仿真分析，如圖5所示。彈性銷安裝方式的改變不影響其約束和受載形式，為描述銷孔對(duì)彈性銷的位移限制，在銷表面建立的棱線上采用單邊固支進(jìn)行約束。結(jié)合彈性銷實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律，圖5a 中彈性銷槽口垂直安裝時(shí)，在棱線2 上施加固定約束；圖5b中彈性銷槽口水平安裝時(shí)，在棱線3上施加固定約束。彈性圓柱銷的主要受載形式為驅(qū)動(dòng)齒與驅(qū)動(dòng)軸兩個(gè)聯(lián)結(jié)件作用的轉(zhuǎn)矩，使彈性銷受到擠壓變形。將彈性銷的棱線均分成兩段，在左右兩側(cè)一半棱線上施加載荷，假定兩個(gè)載荷大小均為200 N，反對(duì)稱分布，如圖4、5所示。

圖4 彈性圓柱銷網(wǎng)格處理與加載

圖5 彈性圓柱銷安裝方式

3 結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力與應(yīng)變

彈性銷在工作時(shí)，由于扭矩作用產(chǎn)生的剪應(yīng)力使零件具有應(yīng)力腐蝕條件，表面開始發(fā)生點(diǎn)蝕，并逐漸形成裂紋。當(dāng)裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，應(yīng)力超出零件的許可載荷，將導(dǎo)致彈性銷產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕疲勞斷裂［9］。通過COMSOL 仿真計(jì)算得到彈性銷不同安裝方式下的應(yīng)力、應(yīng)變、總位移，如圖6所示。

圖6 彈性銷不同安裝方式下應(yīng)力、應(yīng)變、位移分析圖

由圖6 可以看出，彈性銷的安裝方式會(huì)對(duì)其應(yīng)力、應(yīng)變與變形產(chǎn)生不同的影響。圖6a 為彈性銷槽口垂直安裝時(shí)仿真結(jié)果，應(yīng)力和應(yīng)變主要分布在棱線2 附近，集中程度較高；位移變形主要發(fā)生在靠近槽口位置。圖6b 為彈性銷槽口水平安裝時(shí)仿真結(jié)果，應(yīng)力、應(yīng)變與總位移主要分布在棱線1 和棱線3附近，并且應(yīng)力向棱線周圍逐漸擴(kuò)散。對(duì)比2種安裝方式可知，槽口垂直安裝應(yīng)力集中程度較高，槽口水平安裝應(yīng)力和應(yīng)變分布較分散，表明在使用過程中槽口垂直安裝的彈性銷更容易出現(xiàn)疲勞損壞。另外，彈性圓柱銷在安裝過程中應(yīng)注意槽口不能完全閉合，需留有一定的寬度用于變形。

為了進(jìn)一步判斷彈性銷在不同安裝方式下的疲勞過程和危險(xiǎn)區(qū)域，對(duì)棱線1、棱線2 與棱線3 的應(yīng)力具體分布情況進(jìn)行分析。2 種安裝方式各棱線應(yīng)力變化，如圖7所示。

由圖7a 可以看出，當(dāng)彈性銷槽口垂直安裝時(shí)，棱線2 的應(yīng)力值明顯大于棱線1 與棱線3 的應(yīng)力值，其中間位置應(yīng)力變化趨勢(shì)平穩(wěn)，平均應(yīng)力在175 MPa左右，而兩端應(yīng)力較高；棱線1 和棱線3 應(yīng)力值較小，平均應(yīng)力在50 MPa 左右。表明棱線2 附近比其他位置更容易產(chǎn)生疲勞，且兩端將最先出現(xiàn)損傷。

由圖7b 可以看出，當(dāng)彈性銷槽口向水平方向安裝時(shí)各棱線的應(yīng)力值范圍相近，平均應(yīng)力在100 MPa左右。棱線1兩端應(yīng)力分布存在差異，由于加載的作用沿一端應(yīng)力值逐漸增大。棱線2的應(yīng)力分布均勻，無較大變化和波動(dòng)。棱線3兩端應(yīng)力值較大，向中間逐漸變小。

綜合分析，彈性銷槽口向垂直方向安裝時(shí)表面的最大應(yīng)力值較槽口向水平安裝時(shí)大，其中槽口向垂直方向安裝時(shí)應(yīng)力集中明顯，存在局部位置應(yīng)力過大。彈性銷槽口向水平方向安裝方式能夠改善應(yīng)力分布，使應(yīng)力分布更加均勻，提高使用過程中的可靠性。另外，在兩種安裝方式中均出現(xiàn)彈性銷兩端應(yīng)力值高于中間部位，表明彈性銷的疲勞損傷最先發(fā)生在兩端。在提高彈性銷力學(xué)性能過程中應(yīng)注意選擇恰當(dāng)?shù)膭偠?，?dāng)剛度過大時(shí)，會(huì)使銷孔不斷地?cái)U(kuò)大，孔和銷的配合松動(dòng)，增加沖擊與振動(dòng)，加快零件損耗。

圖7 不同安裝方式下各棱線應(yīng)力分布

3.2疲勞壽命分析

彈性圓柱銷在低于材料屈服強(qiáng)度的循環(huán)應(yīng)力作用下不斷地產(chǎn)生彈性變形，形成高周疲勞。靜力學(xué)分析結(jié)果表明，彈性銷槽口向水平方向安裝時(shí)可靠性較好，為進(jìn)一步探究彈性銷的失效過程，預(yù)測(cè)其疲勞壽命，在靜力學(xué)分析仿真過程中添加疲勞物理場(chǎng)，通過制造材料的S-N 曲線對(duì)向水平方向安裝的彈性銷進(jìn)行疲勞評(píng)估。查機(jī)械工程材料數(shù)據(jù)手冊(cè)可得65 Mn鋼的S-N曲線散點(diǎn)數(shù)據(jù)，如表2所示［18］。

表2 65 Mn鋼中值疲勞壽命

考慮彈性銷惡劣的工作環(huán)境和加工制造技術(shù)的影響，應(yīng)對(duì)S-N 曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，修正方法表示如下：

式中：σa為應(yīng)力幅值，k 為修正系數(shù)，N 為疲勞壽命，fSN為S-N曲線，其中k取0.3。

圖8 彈性銷疲勞壽命分析

當(dāng)彈性銷槽口向水平方向安裝時(shí)，得到其疲勞壽命云圖，如圖8 所示。由仿真結(jié)果可以看出，疲勞主要發(fā)生在圓柱銷端部，與靜力學(xué)分析結(jié)果一致。彈性銷端部最小失效周期為4. 88×104次，其他區(qū)域失效周期較長(zhǎng)。表明彈性銷的端部是疲勞損傷的危險(xiǎn)區(qū)域，進(jìn)一步驗(yàn)證應(yīng)力腐蝕造成的疲勞失效是影響彈性銷壽命的重要因素。采棉機(jī)作業(yè)條件和環(huán)境是彈性銷腐蝕疲勞主要來源之一，在采摘過程中機(jī)身運(yùn)行不平穩(wěn)無法避免產(chǎn)生振動(dòng)，從而引起彈性銷不斷的變形。因此，其制造材料必須具有較高的抗疲勞性能，并選擇較好的加工工藝，以提高彈性圓柱銷的質(zhì)量，減少疲勞斷裂。此外，采棉頭中摘錠的質(zhì)量對(duì)采棉機(jī)至關(guān)重要［19］。由于摘錠錐齒輪與驅(qū)動(dòng)齒生產(chǎn)加工、磨損等影響，齒輪嚙合中必然存在間隙，當(dāng)間隙較大時(shí)，齒輪載荷分布不均從而產(chǎn)生振動(dòng)［20］，彈性圓柱銷吸收振動(dòng)增加疲勞損傷。選擇質(zhì)量較好的摘錠能減輕摘錠錐齒輪與驅(qū)動(dòng)齒的沖擊和振動(dòng)，進(jìn)而延長(zhǎng)彈性銷的使用壽命。

4 結(jié)論

（1）本文通過對(duì)采棉機(jī)采棉頭座管內(nèi)部工作結(jié)構(gòu)及原理的分析，建立了彈性銷的三維模型，對(duì)不同安裝方式的彈性銷進(jìn)行靜力學(xué)分析，表明彈性銷槽口向水平方向安裝方式有利于改善其應(yīng)力分布，減輕疲勞損傷。

（2）對(duì)彈性銷的疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估與分析，當(dāng)槽口向水平方向安裝時(shí)其最小失效周期為4. 88×104次，預(yù)測(cè)彈性銷端部是開始出現(xiàn)疲勞損傷的部位，仿真結(jié)果對(duì)彈性銷的使用和設(shè)計(jì)加工等具有參考意義。