葉片式擺動液壓馬達花鍵軸的45鋼屈服極限分析與強度校核

付建軍

（楊凌職業技術學院 機電工程學院，陜西 楊凌 712100）

擺動液壓馬達又稱擺動液壓缸，它是液壓負載模擬器及飛行姿態仿真轉臺中最重要的執行元件之一[1]；其工作原理是輸入量是壓力和流量，輸出量是轉矩和角速度、角位移，旋轉角一般小于360°的液壓執行元件。

由其工作原理可知輸出軸的質量對其工作影響很重要。本文以某生產企業生產線中葉片式擺動液壓馬達花鍵軸為研究對象，因其在實際使用中故障率較高，維修耗時較長，影響生產線生產效率、效益，所以對其進行重新設計改造，使其能夠在正常使用條件下滿足企業生產線的工作要求。

1 葉片式擺動液壓馬達三維建模

采用CREO軟件建立葉片式擺動液壓馬達三維實體模型如圖1所示，該馬達為單葉片式，主要由花鍵軸、端蓋、缸體、轉子、定葉片及其他零部件組成。花鍵軸結構三維模型如圖2所示，輸出花鍵軸與其他機電設備連接，起到承上啟下作用，它的質量對整個生產線影響較為重要，對其進行重新設計改造意義重大。

圖1 擺動液壓馬達三維實體模型

圖2 花鍵軸結構三維模型

2 花鍵軸的有限元分析

將CREO軟件中建立的花鍵軸三維模型導入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中，利用該軟件強大的分析功能，對花鍵軸進行強度剛度分析，其主要步驟如下。

2.1 花鍵軸有限元分析前處理

花鍵軸材料選擇為45鋼，調質處理220-250HBS，材料屬性通過查閱有關手冊可知。選擇四面體網格對其進行劃分，由工作原理可知花鍵軸與轉子通過四個螺栓連接，因此花鍵軸螺栓工作中承受擠壓力較大，網格劃分時螺栓孔處選擇較小的網格尺寸，以獲得較高質量的網格。花鍵軸網格劃分如圖3所示。

圖3 輸出軸網格劃分圖

圖4 輸出軸載荷與約束圖

由葉片式擺動液壓馬達機構與工作原理可知，花鍵軸的工作中受力情況較為復雜，添加約束應為：①花鍵軸向由軸肩定位的，所以軸肩處添加移動約束；②對花鍵軸僅做靜力學分析，因此花鍵軸這時可以看作是固定不動的，所以在花鍵軸軸頸處施加全約束。

施加載荷應為：①花鍵軸與轉子通過四個螺栓連接輸出轉矩，通過計算可得輸入轉矩為8820.8N·m，因此四個螺栓孔處添加集中力進行模擬，即Force進行加載；②通過花鍵軸帶動負載運動，因此在和花鍵軸面上各有一個均布力Pressure，載荷和約束如圖4所示。

2.2 花鍵軸有限元分析后處理

圖5 花鍵軸應力分布云圖

圖6 花鍵軸位移分布云圖

通過有限元分析，花鍵軸應力應變結果如圖5、如圖6所示。由結果圖5可得，花鍵軸最大應力為100.87MPa，最小值為0.345MPa。分析可知花鍵軸是通過與螺栓固定的葉片傳遞動力，這符合實際的情況。通過查閱有關手冊可知45鋼的屈服極限為355MPa，故在允許范圍之內。

由結果圖6可得花鍵軸的應力與應變都較小，其中與端面處距離較小處位移最小，其原因是分析時對其進行了簡化，設該處位移為零；由結果圖可得花鍵軸螺栓孔邊緣應變最大，最大值達到0.01mm，其應變也較小。根據實際工況可知，該花鍵軸在最大額定壓力下工作時，其最大變形位移在可以控制的范圍內，花鍵軸的剛度滿足生產要求。

3 花鍵軸的強度校核

花鍵軸的主要目的是傳遞轉矩。因此，軸的強度校核可以用許用切應力計算。根據機械設計及查閱有關手冊可得，花鍵軸最小直徑與所能傳遞轉矩的關系，如式1所示。

通過式（1），將重新設計改造花鍵軸的最小直徑帶入公式計算，計算結果取整為標準直徑尺寸[2]。

式中，d—軸的最小直徑；

Mt—軸所傳遞的轉矩；

由前期工作結果可知，該軸所能輸出的扭矩能夠達到8820.8N·m，依據是1很容易計算出該軸的理論最小直徑值：

花鍵軸改造設計的的最小直徑設計為105mm，通過上述理論計算結果可知所需的最小直徑應為85.3mm。花鍵軸改造設計的的最小直徑大于理論所需值，因此花鍵軸的最小直徑能夠滿足生產線要求，其安全系數約為2.5。

4 結論

本文對葉片式擺動液壓馬達花鍵軸進行設計改造，通過理論分析與有限元分析對比可知，設計花鍵軸的尺寸合理，其強度剛度能夠滿足生產線正常工作。