軸聯接的有限元分析

葉海舟

（銅陵有色金屬集團股份有限公司安慶銅礦， 安徽銅陵市 246231）

軸聯接的有限元分析

葉海舟

（銅陵有色金屬集團股份有限公司安慶銅礦， 安徽銅陵市 246231）

針對礦山某潛孔鉆機中減速箱齒輪傳動軸的平鍵聯接進行靜力有限元分析，得到軸和鍵的應力分布，并說明鍵的失效主要以擠壓失效為主，為其校核和設計選型提供依據。

傳動軸；平鍵聯接；ANSYS分析；應力分布

0 引 言

機械傳動結構中，轉速或扭矩是通過齒輪變速箱將原動機功率傳遞到傳動軸上，再分配到與傳動軸聯接的齒輪或聯軸器等部件。其中鍵聯接是主要的聯接形式，其應用主要有2個方面：一是應用于機械傳遞、連接軸與帶轂零件（如齒輪等），以實現軸向固定傳遞扭矩，在附加軸向固定還可以傳遞軸向力；另一方面，鍵還可以作為其他結構的連接件或輔助連接件，如定位裝置、螺紋連接中卸載用的抗剪裝置等［1］。在礦山機械的重載工況下，需傳遞的扭矩更大，鍵和鍵槽的聯接更加需要重視。

本文以礦山某型號潛孔鉆機回轉頭傳動軸的普通平鍵聯接為例，用ANSYS有限元軟件進行應力計算，對鍵和鍵槽的接觸進行探討分析，為其校核和設計選型提供依據。

1 有限元模型的建立

圖1為某型號潛孔鉆機齒輪軸減速箱中的一根傳動軸的尺寸。選用25mm×14mm×75mm的普通A型平鍵聯接，液壓馬達動力通過減速箱軸變速后通過平鍵將1.6kN·m扭矩傳到與之相連的輪轂上。因模型相對簡單，在ANSYS中采用自下而上的建模方式，生成有限元模型，如圖2所示。

軸及平鍵材料參數見表1。網格單元選用8節點solid45實體單元，因根據軸的實際尺寸進行建模，設定網格大小后自由劃分網格。在此聯接中，鍵的2個側面與軸的鍵槽側壁接觸，通過擠壓來傳遞原動機的扭矩。上下和前后4個工作面則為非工作面。選用接觸單元Target170和Contact174在鍵和鍵槽接觸工作面建立接觸對，可以比較精確地模擬接觸擠壓情況。

圖1 傳動軸的二維尺寸

圖2 有限元三維模型

表1 材料參數

實際工況中階梯軸是動態旋轉的。本文模擬的是剛開始傳遞扭矩的瞬時工況，即通過減速箱傳動軸的平鍵剛把扭矩傳過去，而輪轂仍處于靜止時的受力情況，此時受力應該是最大的。位移約束條件為：軸的中心線全約束；鍵與輪轂接觸面全約束。載荷施加條件為：笛卡爾坐標系轉換為柱坐標后，將軸傳遞的扭矩按照F＝2 Me／D轉換為總的切向力，按節點力的方式加載到2個軸端面最外圈的節點上。有限元網格和加載模型如圖3所示。

2 ANSYS分析結果

由圖4中總體應力分布可以看出，顯然軸鍵槽與鍵的應力強度均小于各自材料的許用應力，處于材料的安全范圍內。最大應力出現在鍵與鍵槽以及輪轂的接觸面。相對接觸面的高應力，軸其他的地方則應力相對很小。由圖5中平鍵的應力分布可以明顯看出，鍵上形成有明顯的應力梯度，應力集中出現在平鍵工作面的接觸部位，隨著離接觸面的距離增大而減小，且可以預測隨著擠壓力的增加，高應力區將由接觸面向內部擴散，最終鍵出現大的擠壓變形，即鍵被壓潰［2］。

圖3 有限元網格和加載模型

圖4 軸鍵連接的總體應力強度

圖5 平鍵的應力強度

3 結 論

采用礦山機械中的實例數據，對鍵軸聯接的接觸問題用ANSYS有限元軟件進行靜力分析，得到鍵和鍵槽接觸面上的接觸應力大小及變形趨勢，為預測軸鍵的失效奠定了基礎，有較為實用的工程應用價值。

［1］盧 洋，劉靜娜.基于ANSYS的鍵聯接有限元分析［J］.機電產品開發與創新，2010，23（5）：78－80.

［2］劉瑞堂.機械零件失效分析［M］.哈爾濱：哈爾濱大學出版社，2003.

2011－12－26）

葉海舟（1968－），男，安徽桐城人，工程師，從事設備管理工作。