摩擦式離合器離合銷的斷裂力學原因分析及解決方案

馮志祥, 王 駿

(無錫職業技術學院振華廠,江蘇 無錫 214121)

摩擦式離合器離合銷的斷裂力學原因分析及解決方案

馮志祥, 王 駿

(無錫職業技術學院振華廠,江蘇 無錫 214121)

針對現有離合器離合銷出現的斷裂情況,進行強度校核,并對其應力集中現象進行有限元分析,找出原因,提出改進方法,從根本上解決其斷裂問題。

離合器;離合銷;有限元;改進設計

離合器,作為機床里的重要組成部分,用以控制壓力機工作機構的運動和停止,其性能的好壞往往關系到操作人員的安全。

我校辦廠生產的干式摩擦離合器,該離合器為雙片式摩擦離合器,由主體、活塞、氣缸、摩擦盤等組成,通過氣缸的進氣和排氣,由兩塊摩擦盤完成制動和離合。

經某企業反饋,本廠供應的LZD755氣動離合器在使用一段時間后,離合銷容易出現斷裂。已知額定最大離合扭矩30 000 Nm,最大制動扭矩12 000 Nm。離合中心距930 mm,制動中心距1360 mm,離合銷直徑45 mm,額定使用氣壓0.55 Mpa。

本文從力學角度對可能出現的原因進行了分析,并在此基礎上進行了改進。

1 強度校核

1.1 計算離合銷受力大小

該企業設計該壓力機時,實際所需離合扭矩約為Mn離=24 000 Nm。

圖1為離合器總裝配圖,根據離合銷的實際受力情況,得到兩離合銷的受力圖(如圖2所示)。由圖2可得

1.2 由單根離合銷計算最大彎矩

圖1 離合器裝配圖Fig.1 Clutch assembly

圖2 兩離合銷受力圖Fig.2 Two clutch pins bearing

圖3 單根離合銷受彎圖Fig.3 Single clutch pin bent

由彎矩圖(圖3):

根據機械設計手冊常用鋼鐵材料機械性能(GB 699—88)可查:

對應其屈服應力σS=355 MPa。取其安全系數1.2(此安全系數偏低),求得其許用應力[σ]為295.8 MPa,顯然σmax<[σ],彎曲強度符合要求。

2 結構及工況分析

2.1 離合銷結構分析

由于安裝以及與套相配的要求,離合銷在結構上形成了臺階和槽,存在一定的應力集中現象,對離合銷應力集中現象進行了有限元分析。

本次計算分析應用三維設計軟件U G nx2.0建立離合銷的三維模型,然后導入到ANSYS 8.0中并進行必要的修正,再建立有限元計算模型。將仿真分析工況的載荷數據加到有限元計算模型上進行計算分析如圖4所示。

圖4 離合銷有限元分析圖Fig.4 Finite element analysis of clutch pin

結果顯示,最大應力產生在擋板槽底部位,最大值為294 MPa,在許用應力范圍之內,符合強度要求。

2.2 離合銷使用工況分析

據該公司350T壓力機的使用情況,該機型使用頻繁,平均開機時間在21.5 h/d。這對設備的休整與機械零件性能的恢復帶來較大的影響,易造成離合銷疲勞斷裂。

綜上所述,我們分析認為,在高強度的工作狀況下,離合銷的各項力學性能均處于極限狀態,這是造成疲勞斷裂的主要原因。

3 離合銷斷裂問題解決方案

3.1 增大設計安全系數

離合銷直徑由原先的45 mm增大到50 mm,彎曲應力:

可計算出其安全系數增大到為1.8,極大的增加了安全性。

3.2 改進離合銷的結構

(1)由臺階梯銷改成等直徑銷,避免橫截面突變。

(2)擋板槽底銳角改為倒圓過渡(見圖5)。

圖5 槽底銳角改為倒圓過渡Fig.5 Tank bottom angles to round transitions

兩處改進均可減少應力集中現象。

3.3 改進熱處理工藝

離合銷的加工工藝改為:粗加工—調質處理—半精加工—淬火—磨削精加工。增加了一道中間熱處理,調質處理可以使中碳鋼整體獲得比較良好的綜合機械力學性能。

4 結束語

離合銷作為離合器上的重要組成部分,直接關系到離合器的工作性能,直接關系到工人的生產安全,通過以上三個方面的改進方案很好的避免離合銷斷裂現象,提高了產品質量,降低了工人受傷的可能性。

[1] 吳建生.工程力學[M].北京:機械工業出版社,2010

[2] 王勖成.有限單元法[M].北京:清華大學出版社,2003

[3] 柯明楊.機械制造工藝學[M].北京:北京航空航天大學出版社,1996

[4] 何德譽.曲柄壓力機[M].北京:機械工業出版社,1996

Mechanical Analysis and Solution to the Breaking of Clutch Pin of Slip Clutch

FENG Zhixiang, WANG Jun
(Zhenhua Plant,Wuxi Institute of Technology,Wuxi 214121,China)

In accordance with the breaking of the clutch pins of the slip clutches in use presently,we make strength check and finite-element analysis to the concentration of stress so as to find out the reason and improve the design to solve the problem of breaking of pins.

clutch;the clutch pin;finite element;improved design

TH 133.4

A

167127880(2011)0620073203

2011-11-08

馮志祥(1981— ),男,江蘇南通人,助教,研究方向為力學。