過濾器軸鍵連接失效的分析與改進(jìn)

□ 李洪波 □ 郭雨菲 □ 孫耀峻

洛陽船舶材料研究所 河南洛陽 471000

1 問題情況

軸類零件是機(jī)械傳動中的關(guān)鍵零部件,在生產(chǎn)過程中,負(fù)責(zé)傳遞動力和扭矩,起至關(guān)重要的作用。結(jié)構(gòu)合理的軸鍵連接對保證設(shè)備正常運(yùn)行,提高生產(chǎn)效率,延長設(shè)備使用壽命起到非常重要的作用。

某型號壓載水過濾器傳動系統(tǒng)中的傳動軸在使用過程中,發(fā)生軸鍵連接失效的問題。傳動軸失效如圖1所示,鍵失效如圖2所示。發(fā)生失效問題以后,整個過濾器處理系統(tǒng)處于停機(jī)狀態(tài),給客戶帶來了很大的損失。

為徹底解決這一失效問題,筆者對軸鍵連接失效的原因進(jìn)行分析,提出改進(jìn)方案。通過理論計(jì)算和有限元分析,論證了改進(jìn)方案的可行性。應(yīng)用改進(jìn)方案,經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行,未出現(xiàn)類似失效問題。

2 原因分析

平鍵連接傳遞轉(zhuǎn)矩時,主要失效形式是工作面被壓潰,除非有嚴(yán)重過載,一般不會出現(xiàn)鍵剪斷。由圖1、圖2失效情況可知,傳動軸在啟動瞬間,受到較大的沖擊載荷,或者在傳動過程中出現(xiàn)過載現(xiàn)象,造成鍵在軸鍵連接的受剪中心面發(fā)生壓潰失效,進(jìn)而導(dǎo)致傳動軸鍵槽失效。

▲圖1 傳動軸失效

▲圖2 鍵失效

3 改進(jìn)方案

為解決過濾器傳動系統(tǒng)中存在的軸鍵連接失效問題,從兩方面提出改進(jìn)方案。一方面將軸的材質(zhì)由45號鋼調(diào)整為40Cr,并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,以提高鍵的強(qiáng)度。另一方面為改善鍵在工作面的受力狀況,增大鍵長或采用雙鍵。

4 軸鍵連接配合設(shè)計(jì)

為減小傳動過程中沖擊載荷對軸鍵連接的影響,鍵與鍵槽的匹配應(yīng)準(zhǔn)確,接觸均勻。通常鍵與軸上的鍵槽保持0.01～0.03 mm的過盈量,與輪孔槽保持0.03～0.05 mm的間隙。為避免應(yīng)力集中現(xiàn)象,在鍵槽兩側(cè)與底部交接處以圓角光滑過渡,通常取圓角半徑為1～3 mm。

分析鍵的失效形式,需要對作用在鍵上的力有較為清晰的了解。鍵在傳動過程中受力較為復(fù)雜,鍵上的載荷沿長度分布不均,最大應(yīng)力出現(xiàn)在鍵槽末端。鍵自身受力產(chǎn)生偏斜,軸產(chǎn)生扭曲變形,使鍵上載荷向端部集中。在忽略鍵與鍵槽摩擦的情況下,鍵的受力分析如圖3所示。

▲圖3 鍵受力分析

5 強(qiáng)度校核

根據(jù)實(shí)際工況,傳動軸輸入端傳遞的最大扭矩為739.565 N·m,此時鍵的有效長度l為32 mm。考慮到傳動過程中載荷難以準(zhǔn)確計(jì)算,以及計(jì)算方法的近似性,需要對鍵的強(qiáng)度保留必要的安全裕度。在靜載荷下,塑性材料的安全因數(shù)為1.5～2.5。取安全因數(shù)為1.5,負(fù)載轉(zhuǎn)矩為320 N·m。

鍵連接的抗擠壓強(qiáng)度σp為:

(1)

k=0.5h

(2)

鍵連接的抗剪強(qiáng)度τ為:

(3)

式中:T為輸出轉(zhuǎn)矩;k為鍵的有效工作高度;h為鍵的高度,h=7 mm;b為鍵的寬度,b=8 mm;d為軸的直徑,d=28 mm;[σp]為許用擠壓應(yīng)力;[τ]為許用抗剪強(qiáng)度。

采用改進(jìn)方案,傳動軸及鍵的材料分別為40Cr、45號鋼,運(yùn)行狀況為靜連接,查得許用擠壓應(yīng)力[σp]為125 MPa～150 MPa,取中間值137.5 MPa,靜載荷時許用抗剪強(qiáng)度[τ]為120 MPa,此時鍵的實(shí)際長度為40 mm。

數(shù)據(jù)代入式(1),計(jì)算得σp=204.08 MPa>[σp]。

經(jīng)理論計(jì)算得出鍵連接的擠壓強(qiáng)度不足,對此考慮增大鍵的長度來提高鍵連接的承壓能力。鍵長有一定限度,通常最大長度不大于1.6d～1.8d,因此實(shí)際最大鍵長為50 mm。數(shù)據(jù)代入式(1),計(jì)算得σp=155.49 MPa>[σp]。

增大鍵長后仍不能滿足強(qiáng)度要求,考慮采用雙鍵連接,再進(jìn)行強(qiáng)度校核。考慮到兩鍵載荷分布的不均勻性,在強(qiáng)度校核中只按1.5個鍵計(jì)算。對鍵長為40 mm的雙鍵進(jìn)行強(qiáng)度校核,數(shù)據(jù)代入式(1),計(jì)算得σp=136.05 MPa<[σp]。此時強(qiáng)度已接近許用擠壓應(yīng)力,仍不滿足強(qiáng)度要求。

對鍵長為50 mm的雙鍵進(jìn)行強(qiáng)度校核,數(shù)據(jù)代入式(1),計(jì)算得σp=103.66 MPa<[σp]。此時滿足強(qiáng)度要求。

通過理論計(jì)算可知,當(dāng)選用50 mm的鍵長進(jìn)行雙鍵連接時,鍵連接的擠壓強(qiáng)度滿足要求。

驗(yàn)算鍵的抗剪強(qiáng)度,數(shù)據(jù)代入式(1),計(jì)算得τ=68 MPa<[τ]。此時滿足抗剪強(qiáng)度要求。

6 有限元分析

對鍵長為50 mm的雙鍵連接建立三維模型,進(jìn)行有限元分析計(jì)算,進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)方案的可行性。

運(yùn)用Pro/E三維建模軟件,根據(jù)傳動軸及鍵的實(shí)際尺寸,建立三維模型。將所建裝配體保存為.stp格式文件,導(dǎo)入ANSYS Workbench靜力學(xué)仿真分析軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為得到較為精確的仿真結(jié)果,對傳動軸采取單獨(dú)的網(wǎng)格劃分方式,設(shè)置網(wǎng)格類型為六面體單元,網(wǎng)格單元的長度設(shè)為2 mm。對鍵采用局部網(wǎng)格劃分方法,進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,生成用于分析的軸鍵連接有限元模型,如圖4所示。

對網(wǎng)格劃分后的軸鍵連接有限元模型添加邊界條件。根據(jù)實(shí)際工況,對左端兩輸出鍵施加力矩。右端兩短鍵所在側(cè)的輸入端位于減速機(jī)殼體內(nèi),對該處施加圓柱支撐。

通過有限元分析,得到改進(jìn)方案軸鍵連接的等效應(yīng)力云圖及變形云圖,分別如圖5、圖6所示。

▲圖4 軸鍵連接有限元模型

▲圖5 改進(jìn)方案軸鍵連接等效應(yīng)力云圖

▲圖6 改進(jìn)方案軸鍵連接變形云圖

由圖5、圖6可以看出,改進(jìn)方案軸鍵連接所受的最大應(yīng)力為271.22 MPa,最大變形為0.052 685 mm。鍵的材料為45號鋼,軸的材料為40Cr調(diào)質(zhì)處理,調(diào)質(zhì)洛氏硬度(HRC)為32～36。45號鋼的屈服強(qiáng)度為355 MPa,40Cr的屈服強(qiáng)度為550 MPa～800 MPa,鍵的屈服強(qiáng)度相比軸較低,最大應(yīng)力271.22 MPa小于355 MPa,即軸和鍵的最大工作應(yīng)力均符合材料的許用強(qiáng)度要求。

7 結(jié)束語

筆者針對過濾器軸鍵連接失效問題,經(jīng)過理論計(jì)算得出原軸鍵連接的強(qiáng)度不滿足強(qiáng)度要求。通過改變軸的材質(zhì),增大鍵長,采用雙鍵連接的方式,滿足了強(qiáng)度要求。

傳動軸鍵槽端部應(yīng)力集中較明顯,在保證軸鍵配合尺寸的前提下,傳動軸鍵槽根部增加圓角過渡,減小應(yīng)力集中,避免因產(chǎn)生疲勞裂紋而發(fā)生低應(yīng)力失效。

通過有限元分析及實(shí)際應(yīng)用,驗(yàn)證了改進(jìn)方案的可行性。若采用雙鍵仍不能滿足強(qiáng)度要求,則可以采用花鍵連接,進(jìn)一步提高軸鍵連接的強(qiáng)度。