螺旋分级机轴头连接结构的有限元分析比较

　　下面就分级机轴头几种常用的连接方式进行建模分析比较。 
　　1.传统轴头的连接方式 
　　（l）连接方式如图3所示。 
　　图3中轴头材质为：ZG270-500；中空轴为：377×30钢管，材质：20钢；圆柱销材质为：45钢。 
　　（2）利用SolidWorks软件对轴、中空轴和圆柱销连接建模如图4所示。 
　　因我们主要是分析轴头连接处的应力分布情况，中空轴下部支座体简化为用一轴套固定。 
　　（3）打开SolidWorks软件中的SolidWorks Simulation插件，新建静应力分析算例，分析零件为：轴、中空轴和圆柱销，并应用材质，输入各零件材质属性参数。连结选择边焊缝接头：使轴和中空轴焊缝连接（图5），再选择零部件接触为全局接触无穿透。 
　　（4）确定边界条件（即软件中的夹具）：选择固定的几何体，使轴键槽段和中空轴末端的轴套约束固定（图6）。 
　　（5）添加外载荷为扭矩，选择中空轴外表面受扭，输入扭矩为39785 N·m 
　　（6）生成网格如图7所示，网格细节为：最大单元大小40mm，最小单元大小8mm，节总数131932节，单元总数71750个。 
　　（7）运行此算例得到如图8-ll所示的结果。 
　　在实际工作中，螺旋分级机槽为倾斜一定角度（14°）安装，螺旋轴倾斜，除承受一定的扭力外，还承受自重、叶片自重等的径向力和叶片推动物料的轴向力，在此分析中忽略不计。 
　　由此算例可以得出表2中的数据，轴的最大VON Mises应力为：27.22MPa，所在部位为轴肩直径过处，最小安全系数为8.6，钢管的最大VON Mises应力为46.62MPa，所在部位为钢管与轴焊接处，最小安全系数为4.6，圆柱销的最大VON Mises应力为11.8MPa，最小安全系数为14，此连接结构轴和钢管的强度是满足的，圆柱销的安全系数为最大，在本文以下的分析中，不再专门列出。 
　　同时，利用此模型算例，在其他条件都不变的情况下，在去除管与轴的焊缝连接（即管和轴不焊接，而只用圆柱销连接），得到表3所示结果。 
　　此结果可看出，如只采用圆柱销连接，在较恶劣的工况条件下，是不可靠的，轴和钢管在圆柱销连接处容易发生应力屈服，在交变应力下断裂。
    此传统的设计方案由于主轴头采用一般铸钢件材质（ZG270-500），虽然理论上强度已够，制造成本较低，但作为分级机的重要传动零件，在实际生产过程中，其铸造制造工艺过程的控制质量，往往对最终的产品使用效果有很大的影响。铸件内部易产生晶粒粗大、疏松、夹渣、气孔、裂纹和元素偏析等缺陷，并有较大的残留内应力，其强度、塑性和韧性指标难以达到规定要求。通过有限元分析我们可以得知，在轴受扭矩的情况下，其最大应力在轴肩处，在分级机的实际工作中，常常由于矿浆浓度、返砂量的大小等，使轴头在交变应力的作用下发生断裂。对此我们进行了改进设计。 
　　2.改进后的轴头连接方式 
　　改进后的轴头连接方式如图12所示。 
　　图12中的轴头通过轴套与中空管连接。轴头材质改为45钢，为节约材料降低制造成本，使之与中空轴钢管的连接用一轴套来过渡，轴套材质为ZG270-500；中空轴为377×30钢管，材质20钢；圆柱销为二排且在轴截面上交叉均布，材质为45钢。 
　　利用SolidWorks软件，按分析传统连接方式的步骤，输入与传统连接方式相同的分析数据和条件（相同的材料属性数据、网格大小和边界条件等），进行有限元分析结果如图13-18所示。 
　　由分析数据可以得出表4结果，此改进后的连接结构，轴的最大VON Mises应力为26.84MPa，所在部位为轴肩直径过处，最小安全系数为6，钢管的最大VON Mises应力为37.32MPa，所在部位为钢管与轴焊接处，为4.3，轴套的最大VON Mises应力为63.4IMPa，最小安全系数为3.7，所在部位为轴套与轴焊接处，此连接结构轴、钢管和轴套的强度是满足的。 
　　从分析数据上来看，改进后的轴头连接方式上，轴头的最大VON Mises （MPa）应力比传统的连接方式要低，最大剪应力下的最小安全系数略有下降，这是因为45钢的抗剪模量和弹性模量比ZG270-500铸钢低，但从制造厂的角度来说，45为轧制钢，轴头毛坯可直接从专业厂家购入，材料的各项性能指标容易得到保证，轴头的制造成本降低，且质量稳定。 
　　改进后的轴头连接方式，在多年制造和使用过程中，偶尔出现在轴头与轴套焊缝处发现裂纹，有的用户和设计人员提出了再改进的方案如图19所示。 
　　拟再改进的结构中，加长了轴套长度，并增加了一排圆柱销连接，预期提高整个轴头的连接强度和抗扭性。 
　　使用SolidWorks软件，按以上分析步骤，输入相同的分析数据和条件（相同的材料属性数据、网格大小、边界条件等），进行有限元分析结果如表5所示。 
　　从以上分析数据可以看出，拟改进的连接结构，轴、钢管和轴套的最大VON Mises应力及安全系数均与改进前相比，没有大的改善，并略有降低，拟改进前轴头与轴套焊缝处出现裂纹的主原因是由于焊接质量而产生的。由于轴和轴套的材质分别为45钢和铸钢ZG270-500，它们均属于中碳钢，其焊接性能较差，且为异种钢的焊接，其焊件刚度较大，淬硬倾向也大，焊缝区容易产生低塑性的淬硬组织，如焊接工艺控制不严时，焊缝金属本身易产生热裂纹和冷裂纹，所以轴头的连接质量，除应充分考虑其结构的工艺性外，还应严格控制其制造的工艺。 
　　四、结语 
　　通过以上应用SolidWorks三维设计软件，对几种不同的分级机轴头连接结构进行建模有限元分析，对分级机轴头结构连接的设计和进一步的改进提供了合理的依据，SolidWorks的有限元分析法为设计者提供了方便、直观、快捷且可靠的计算结果，虽然其分析结果为理论性的，不能完全替代产品的实际测试，但对产品的实际生产和应用仍有着较大的指导意义。本文希望通过对分级机轴头连接结构的有限元分析，对利用SolidWorks有限元分析产品起到一定的借鉴意义。同时，希望各位同行对本文的不足之处提出宝贵意见。