SR型液壓安全聯軸器聯接套應力分析

江偉，鞠俊

（合肥工業大學機械與汽車工程學院，合肥 230009）

0 引言

針對機械過載的保護，傳統的剪切銷式安全聯軸器結構簡單，但由于銷釘的材料強度、制造誤差以及疲勞的影響，工作效率不高，使用壽命有限。新型的液壓安全聯軸器可以代替傳統的剪切銷式聯軸器。新型的液壓安全聯軸器安裝和拆卸方便，不易擦傷配合表面，且傳遞扭矩大、對中性好。正是由于這些優越性，液壓安全聯軸器得到廣泛應用，具有很好的使用價值。本文以SR 液壓安全聯軸器為研究對象，主要對其內套及中間套進行有限元的力學分析，分析其配合接觸在高壓油作用下的形變和應力，理論值與實際值的比較，為設計液壓安全聯軸器內套和中間套壁厚提供了重要的理論依據和設計基礎。

1 SR 液壓安全聯軸器工作原理

圖1 SR 型液壓安全聯軸器結構圖

SR 型液壓安全聯軸器具有安全保護裝置，其機構主要由剪切環、安全管、聯接套外套、油腔、聯接套內套、中間套、軸套、傳動軸和注油口組成，當外套緊套在內套的外表面時，自右側螺孔向環槽內泵入高壓油，在內外套配合錐面之間形成高壓油膜（形成徑向油壓）。聯接套內套向內壓縮抱緊中間套，中間套同時向內變形壓縮抱緊軸套，也就是與傳動軸抱緊，可以實現同軸線的兩根軸（主動軸和從動軸）的共同回轉以及運動和轉矩的傳遞。

高壓油的壓力將內套緊壓在中間套表面上使中間套和軸配合，徑向油壓也作用在外套的內壁，使外套徑向擴張，徑向油壓增大，中間套在內套力作用下緊抱在軸套上，內外套和中間套與傳動軸之間有著很大的軸向摩擦力，液壓安全聯軸器通過這些摩擦力作用傳遞扭矩。

2 理論計算分析

2.1 理論計算基礎

根據彈性力學［5］規定，工程實際中把厚度與中面最小曲率半徑的比值大于1/20 的殼體稱為厚殼。因此本文中做了以下假設：1）液壓安全聯軸器的內套和中間套配合在高壓油的作用下，內套和中間套配合可視為一個整體，即為厚壁圓筒問題。2）內套和中間套直接接觸面上的接觸壓力均勻分布，且軸向壓力影響忽略不計。依照短厚壁圓筒理論，利用有限元對聯軸器的聯接套進行分析。

2.2 建立數學模型

已知液壓安全聯軸器內套厚度t=6 mm，曲面半徑R1=160 mm，內套長度L1=170 mm，中間套外徑R2=154 mm，厚度h=8 mm，長度L2=180 mm，高壓油壓力q=40 N/mm2，彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.27，材料的接觸摩擦因數MU=0.18，材料密度ρ=7 800 kg/m3。

圖2 厚壁圓筒理論模型

當油壓P 開始產生徑向壓力使得中間套和軸套配合，傳遞扭矩，聯接套內套和中間套視為整體，即厚壁圓筒問題，此處b 為內套外徑，a 為中間套內徑，對于厚壁圓筒（圖2），在彈塑形力學里面，位移分量為：

彈性極限壓力為：

由第三強度理論得到的當量應力Tresca 應力為：

由Mises 屈服準則可知：

最大壓力P=σh=

下面分兩種安裝情況計算聯接套在高壓油作用下的變形（內套和中間套視為一整體）：

1）假設內套和中間套兩端固定［6］，即邊界條件為撓度和轉角均為0°，相應的Mises 應力為

接觸壓力σh=33.062 MPa，變形u=-0.356 2 mm。

圖3 工況1 下的接觸應力云圖

圖4 工況2 下的接觸應力云圖

2）假設內套一端固定一端簡支，相應的Mises 應力為

Tresca 應力為（σ1-σ3）=701.02MPa。接觸壓力σh=38.162MPa，變形u=-0.361 2 mm。

3 利用ANSYS 對聯軸器內套中間套接觸應力分析

利用ANSYS 進行有限元應力分析，目的就是確定該結構的承載能力是否足夠，即看材料是否滿足強度要求。本文關于液壓安全聯軸器的分析思路如下：首先通過彈性力學和材料力學［7］知識得出一組理論計算數據，然后利用ANSYS 獲得相應的有限元分析數據，進行比較，在此我們利用有限元軟件求解內套和中間套配合在高壓油作用下產生的接觸應力對工作的影響分析。

3.1 有限元分析求解

油腔內通入高壓油后，聯接套內套向內壓縮中間套，中間套同時向內變形壓縮抱緊軸套，內套和中間套發生接觸擠壓，產生接觸應力。下面將對液壓安全聯軸器內套和中間套的配合結構進行兩種工況的接觸分析。第一個工況分析內套和中間套兩端面固定約束安裝，通入高壓油的作用下的應力變化；第二個工況分析內套和中間套同面端面固定約束另一端面完全自由下安裝，通入高壓油的作用下的應力變化。

3.2 有限元計算與理論計算結果比較分析

對文中建立的數學簡化模型進行有限元分析，并將其結果與理論計算的結果進行驗證比較。利用ANSYS 分析在通入高壓油作用下內套與中間套配合接觸面在兩種不同工況下的接觸應力，應力云圖如圖3 和圖4 所示。

分析兩種載荷步情況下的后處理結果，表1 反映了聯接套各應力的理論計算和有限元計算分析結果。

表1 理論計算與有限元計算結果比較

表1 說明有限元和與理論計算的結果在許用誤差5%以內，驗證了有限元計算的準確性和合理性。

4 結論

液壓安全聯軸器在油腔里通過液壓油后，內套和中間套配合工作后產生應力。經分別運用理論計算和有限元方法對兩種工況下的應力進行分析，可知所求解的內套和中間套配合后的應力變化和理論計算結果都很接近。同時還可看出，同等的載荷（高壓油壓力）作用下，一端固定一端自由的Mises 應力、Tresca 應力更小，而且接觸應力明顯增大，這種接觸應力會使中間套有著更大的形變，這樣的變形效果可以讓中間套充分抱緊軸套,在設計液壓安全聯軸器時候可以優先選擇一端固定一端自由的安裝方式，使得液壓安全聯軸器更好地工作，使用的效率更高、壽命更長。

［1］文斌.聯軸器設計選用手冊［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［2］陳明祥.彈塑性力學［M］.北京：科學出版社，2010.

［3］李寧，何光逵.一種新型安全聯軸器——液壓安全聯軸器的研究［J］.機械設計，1997（6）：28-30.

［4］崔建波，周一屆.空心軸液壓聯軸器內套設計參數的計算分析［J］.機械制造，2008，46（7）：21－23.

［5］吳家龍.彈性力學［M］.北京：高等教育出版社，2010.

［6］張小燕，王彪，黃志來.液壓安全聯軸器內套變形計算［J］.機械傳動，2010，34（12）：30－33，51.

［7］劉鴻文.材料力學［M］.北京：高等教育出版社，2011.