周文卿 安贵杰 闫 哲 张有强

（塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔843300）

新疆是中国最大的棉花生产基地，具有较高的机械化生产水平。2018 年，新疆棉花总产量占全国的83.3 %，兵团机采棉面积达1 000 万亩，共拥有采棉机3 600台［1］。采棉机的采摘作业具有较强的连续性与季节性，气候因素和田间环境对采棉机内部部件的影响较大。为了保证采棉机的作业质量，需要经常对采棉机采棉头进行检查和维护。弹性销作为采棉头中关键零件，常出现裂纹、断裂等故障，导致采棉机摘锭无法进行正常采摘，是影响采棉机采净率的重要因素，对棉花抢收生产造成巨大损失。

销连接是机械设备中常用的一种连接方式，具有结构简单，连接迅速等特点［2］。当采棉机连续采摘作业达到300 hm2，弹性销容易失效，其主要失效形式是疲劳引起的弹性消失和断裂。为了提高销子的可靠性和使用寿命，国内外学者对其制造材料、结构、加工及装配工艺等进行了大量的研究［3-10］。郭弘等［11］从弹性销的化学成分、硬度及金相组织进行分析，发现原材料中的带状组织是其产生裂纹的重要原因，提高热处理工艺能使弹性销的性能得到改善。史秋月等［12］从弹性销断裂的形貌特征及显微组织等进行研究，表明零件的应力腐蚀导致了其最终的疲劳断裂。王荣荣等［13］建立了圆柱销的三维模型，利用ANSYS 软件对其装配过程预应力进行仿真，得到销子的接触压力分布规律。刘锋等［14］通过对长销和短销两种弹性销进行有限元分析，提出两短销串联替代长销能延长销子的使用寿命。采棉头座管内的弹性销使用工况更加恶劣复杂，其损耗过快是采棉机检修过程中重大问题。

本文在分析采棉头座管结构与弹性圆柱销的工作原理基础上，建立弹性圆柱销的三维模型，利用COMSOL软件进行有限元分析，探究不同安装方式下弹性销的力学性能，为提高采棉头座管内弹性销的可靠性提供理论依据。

1 采棉头座管内部结构及工作原理

采棉机的采棉头座管内部结构如图1所示，主要由摘锭、座管、驱动轴、驱动齿与弹性销等组成。采棉机进行采摘作业时，摘锭驱动轴在驱动器的作用下开始转动，驱动齿通过弹性销固定连接在驱动轴上，弹性销将驱动轴的动力传递到驱动齿，驱动齿带动摘锭旋转，然后由高速旋转的摘锭开始采摘棉花［15-16］。

图1 采棉机采棉头座管内部结构

弹性圆柱销在采棉头座管内主要作用为固定连接与动力传递，采棉机在棉田不平整度的影响下机身无法避免产生振动，弹性销的弹性能有效地缓解吸收座管内部部件之间的冲击和振动。

图2 国产与进口弹性圆柱销

图2是国产与进口的弹性圆柱销，其中国产销槽口较宽，倒角角度较大，制造材料为锰钢，厚度约为0.78 mm，具有较高的强度和弹性；进口销一般参照美国标准ASME B18.8.2 规范生产，其槽口与倒角角度较小，易于安装入位，制造材料为弹簧钢，厚度约为0.81 mm，其弹性与刚性较好，且耐疲劳、抗剪切性能优良。

2 弹性销力学分析

2.1 建立模型

GB-879 弹性圆柱销是采棉机使用与维护中应用最广泛的一种，其制造材料为65 Mn，弹性模量为206 GPa，密度为7 830 kg/m3，泊松比为0.3，公称直径为2. 5 mm，公称长度为30 mm［14，17］。采用PRO/E 软件建立弹性圆柱销的三维模型，然后将其导入COMSOL 软件中进行静力学分析。利用布尔操作和分割在弹性销表面建立棱线，以便后续边界条件的设定，弹性圆柱销模型及棱线的建立，如图3所示。

图3 弹性圆柱销几何模型

模型网格划分的单元大小选择超细化，其网格单元属性，如表1所示。处理后的完整网格包含8 461个域单元，4 602个边界元和534个边单元，如图4所示。

表1 网格单元参数

2.2 约束和加载

为了探究弹性圆柱销在不同安装方式下的受力特性，将分为槽口向垂直方向和水平方向两种安装形式进行仿真分析，如图5所示。弹性销安装方式的改变不影响其约束和受载形式，为描述销孔对弹性销的位移限制，在销表面建立的棱线上采用单边固支进行约束。结合弹性销实际运动规律，图5a 中弹性销槽口垂直安装时，在棱线2 上施加固定约束；图5b中弹性销槽口水平安装时，在棱线3上施加固定约束。弹性圆柱销的主要受载形式为驱动齿与驱动轴两个联结件作用的转矩，使弹性销受到挤压变形。将弹性销的棱线均分成两段，在左右两侧一半棱线上施加载荷，假定两个载荷大小均为200 N，反对称分布，如图4、5所示。

图4 弹性圆柱销网格处理与加载

图5 弹性圆柱销安装方式

3 结果与分析

3.1 应力与应变

弹性销在工作时，由于扭矩作用产生的剪应力使零件具有应力腐蚀条件，表面开始发生点蚀，并逐渐形成裂纹。当裂纹继续扩展，应力超出零件的许可载荷，将导致弹性销产生应力腐蚀疲劳断裂［9］。通过COMSOL 仿真计算得到弹性销不同安装方式下的应力、应变、总位移，如图6所示。

图6 弹性销不同安装方式下应力、应变、位移分析图

由图6 可以看出，弹性销的安装方式会对其应力、应变与变形产生不同的影响。图6a 为弹性销槽口垂直安装时仿真结果，应力和应变主要分布在棱线2 附近，集中程度较高；位移变形主要发生在靠近槽口位置。图6b 为弹性销槽口水平安装时仿真结果，应力、应变与总位移主要分布在棱线1 和棱线3附近，并且应力向棱线周围逐渐扩散。对比2种安装方式可知，槽口垂直安装应力集中程度较高，槽口水平安装应力和应变分布较分散，表明在使用过程中槽口垂直安装的弹性销更容易出现疲劳损坏。另外，弹性圆柱销在安装过程中应注意槽口不能完全闭合，需留有一定的宽度用于变形。

为了进一步判断弹性销在不同安装方式下的疲劳过程和危险区域，对棱线1、棱线2 与棱线3 的应力具体分布情况进行分析。2 种安装方式各棱线应力变化，如图7所示。

由图7a 可以看出，当弹性销槽口垂直安装时，棱线2 的应力值明显大于棱线1 与棱线3 的应力值，其中间位置应力变化趋势平稳，平均应力在175 MPa左右，而两端应力较高；棱线1 和棱线3 应力值较小，平均应力在50 MPa 左右。表明棱线2 附近比其他位置更容易产生疲劳，且两端将最先出现损伤。

由图7b 可以看出，当弹性销槽口向水平方向安装时各棱线的应力值范围相近，平均应力在100 MPa左右。棱线1两端应力分布存在差异，由于加载的作用沿一端应力值逐渐增大。棱线2的应力分布均匀，无较大变化和波动。棱线3两端应力值较大，向中间逐渐变小。

综合分析，弹性销槽口向垂直方向安装时表面的最大应力值较槽口向水平安装时大，其中槽口向垂直方向安装时应力集中明显，存在局部位置应力过大。弹性销槽口向水平方向安装方式能够改善应力分布，使应力分布更加均匀，提高使用过程中的可靠性。另外，在两种安装方式中均出现弹性销两端应力值高于中间部位，表明弹性销的疲劳损伤最先发生在两端。在提高弹性销力学性能过程中应注意选择恰当的刚度，当刚度过大时，会使销孔不断地扩大，孔和销的配合松动，增加冲击与振动，加快零件损耗。

图7 不同安装方式下各棱线应力分布

3.2疲劳寿命分析

弹性圆柱销在低于材料屈服强度的循环应力作用下不断地产生弹性变形，形成高周疲劳。静力学分析结果表明，弹性销槽口向水平方向安装时可靠性较好，为进一步探究弹性销的失效过程，预测其疲劳寿命，在静力学分析仿真过程中添加疲劳物理场，通过制造材料的S-N 曲线对向水平方向安装的弹性销进行疲劳评估。查机械工程材料数据手册可得65 Mn钢的S-N曲线散点数据，如表2所示［18］。

表2 65 Mn钢中值疲劳寿命

考虑弹性销恶劣的工作环境和加工制造技术的影响，应对S-N 曲线数据进行修正，修正方法表示如下：

式中：σa为应力幅值，k 为修正系数，N 为疲劳寿命，fSN为S-N曲线，其中k取0.3。

图8 弹性销疲劳寿命分析

当弹性销槽口向水平方向安装时，得到其疲劳寿命云图，如图8 所示。由仿真结果可以看出，疲劳主要发生在圆柱销端部，与静力学分析结果一致。弹性销端部最小失效周期为4. 88×104次，其他区域失效周期较长。表明弹性销的端部是疲劳损伤的危险区域，进一步验证应力腐蚀造成的疲劳失效是影响弹性销寿命的重要因素。采棉机作业条件和环境是弹性销腐蚀疲劳主要来源之一，在采摘过程中机身运行不平稳无法避免产生振动，从而引起弹性销不断的变形。因此，其制造材料必须具有较高的抗疲劳性能，并选择较好的加工工艺，以提高弹性圆柱销的质量，减少疲劳断裂。此外，采棉头中摘锭的质量对采棉机至关重要［19］。由于摘锭锥齿轮与驱动齿生产加工、磨损等影响，齿轮啮合中必然存在间隙，当间隙较大时，齿轮载荷分布不均从而产生振动［20］，弹性圆柱销吸收振动增加疲劳损伤。选择质量较好的摘锭能减轻摘锭锥齿轮与驱动齿的冲击和振动，进而延长弹性销的使用寿命。

4 结论

（1）本文通过对采棉机采棉头座管内部工作结构及原理的分析，建立了弹性销的三维模型，对不同安装方式的弹性销进行静力学分析，表明弹性销槽口向水平方向安装方式有利于改善其应力分布，减轻疲劳损伤。

（2）对弹性销的疲劳寿命进行评估与分析，当槽口向水平方向安装时其最小失效周期为4. 88×104次，预测弹性销端部是开始出现疲劳损伤的部位，仿真结果对弹性销的使用和设计加工等具有参考意义。