4200t/h装船机伸缩机构中销轴的弯曲应力有限元分析

2014-12-25夏平

科技视界 2014年24期

夏平

（上海海事大学，中国上海200135）

0 概述

由于销齿的齿轮是圆销，与一般齿轮相比，具有结构简单、加工容易、造价低、拆卸方便等优点，故以其代替尺寸较大的渐开线齿轮时，有较大的优越性。特别是个别销齿损坏时，只需个别更换，不致整个销齿轮报废销齿传动适用于低速、重载机械传动和粉尘多、润滑条件差等工作环境较恶劣的场合。其传动效率在无润滑时为90%-93%，有润滑时为93%-95%。

对于销齿条传动过程中销轴的弯曲强度分析仍然是基于传统的强度理论和假设的计算方法，有待进一步的深入研究。

本文在此基础上，以4200t/h 的装船机的臂架伸缩机构中销齿条传动为例，利用有限元软件ANSYS10.0，对传动过程中的销轴和弯曲应力进行有限元分析，得出了弯曲应力的分布图，为销齿条的精确设计提供了相关有益的数据分析。

图1 为销齿条传动的示意图。

图1 销齿条传动示意图

图2 装船机销齿传动设计图

1 基于传统强度理论验算销轴强度

由销轴的设计示意图中分析，可以将销轴看成是一个一段支撑长度为230mm，中间为165mm 的均布载荷的简支梁

对于销轴分别从弯曲应力和剪切应力来验算强度。

1.1 销轴弯曲强度计算

Ft——传递圆周力，N;

dp——销轴直径，mm;

L——销齿计算长度，mm;

b——齿轮宽度，mm；

Ft＝168631.5N，dp＝81mm，L＝199mm，b＝165mm

已知销轴材料为42CrMo，调质硬度为HB220～240，查表得：[σF]lim＝380MPa 得σF≤[σF]lim∵Q 满足要求。

1.2 销轴剪切强度

Q——最大剪力值，N；

d——销轴直径，mm；

Q＝60×103×9.8×cos55°＝337262.9N

d＝81mm;

已知销轴材料为42CrMo，调质硬度为HB220～240，查表得:[τ]lim＝400MPa

得τmax≤[τ]lim，∵Q 满足要求。

从计算结果中可以看出销轴最大剪切强度远远小于许用值，弯曲应力也远远小于许用弯曲应力，但是由于销轴的简化计算非常的保守，在实际的受力过程中，销轴中心上的齿轮和销轴本身是面接触的形式而不是这里计算所假设的线接触的形式。

2 基于有限元分析软件Ansys 销轴的强度

（1）销齿条中销轴的材料为42CrMo，调质硬度HB220-240，直径为Ø81，齿距P＝157.068，销轴长度为L＝190,密度为7.85×103kg/m3，泊松比0.3。根据布氏硬度与弹性模量的关系式：（GPa）,弹性模量E＝207（GPa）

（2）销轴模型接触计算建立

根据图2 所示，销轴两端固定在槽钢上，在进行ANSYS 有限元计算中，采用SOLID185 实体有限元单元进行建模。销轴中心齿轮接触处进行半圆弧面加载并使得最终在切向产生合力Ft=168631.5N 的合力，同时考虑到销轴两端在槽钢上的连接实际并非固接，有限元计算中采用接触单元来模拟这里的连接形式，并在接触端外侧进行UX、UY、UZ 三方向的约束。

（3）销轴ANSYS 接触计算应力结果

经过ANSYS 计算后得到销轴的Von Mises 应力结果如图3 所示。从图3 的应力显示中可以发现最大应力为108MPa，通过传统强度理论得出的弯曲强度为92.4MPa, 比ANSYS 中计算结果小14.4%，可见传统强度计算偏于保守。