軸聯(lián)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(lián)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(lián)接進(jìn)行靜力有限元分析，得到軸和鍵的應(yīng)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(shè)計選型提供依據(jù)。

傳動軸；平鍵聯(lián)接；ANSYS分析；應(yīng)力分布

0 引 言

機械傳動結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)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(lián)接的齒輪或聯(lián)軸器等部件。其中鍵聯(lián)接是主要的聯(lián)接形式，其應(yīng)用主要有2個方面：一是應(yīng)用于機械傳遞、連接軸與帶轂零件（如齒輪等），以實現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(lián)接更加需要重視。

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

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(lián)接，液壓馬達(dá)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(shù)見表1。網(wǎng)格單元選用8節(jié)點solid45實體單元，因根據(jù)軸的實際尺寸進(jìn)行建模，設(shè)定網(wǎng)格大小后自由劃分網(wǎng)格。在此聯(lián)接中，鍵的2個側(cè)面與軸的鍵槽側(cè)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(shù)

實際工況中階梯軸是動態(tài)旋轉(zhuǎn)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(yīng)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(biāo)系轉(zhuǎn)換為柱坐標(biāo)后，將軸傳遞的扭矩按照F＝2 Me／D轉(zhuǎn)換為總的切向力，按節(jié)點力的方式加載到2個軸端面最外圈的節(jié)點上。有限元網(wǎng)格和加載模型如圖3所示。

2 ANSYS分析結(jié)果

由圖4中總體應(yīng)力分布可以看出，顯然軸鍵槽與鍵的應(yīng)力強度均小于各自材料的許用應(yīng)力，處于材料的安全范圍內(nèi)。最大應(yīng)力出現(xiàn)在鍵與鍵槽以及輪轂的接觸面。相對接觸面的高應(yīng)力，軸其他的地方則應(yīng)力相對很小。由圖5中平鍵的應(yīng)力分布可以明顯看出，鍵上形成有明顯的應(yīng)力梯度，應(yīng)力集中出現(xiàn)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(yù)測隨著擠壓力的增加，高應(yīng)力區(qū)將由接觸面向內(nèi)部擴散，最終鍵出現(xiàn)大的擠壓變形，即鍵被壓潰［2］。

圖3 有限元網(wǎng)格和加載模型

圖4 軸鍵連接的總體應(yīng)力強度

圖5 平鍵的應(yīng)力強度

3 結(jié) 論

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

［1］盧 洋，劉靜娜.基于ANSYS的鍵聯(lián)接有限元分析［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)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(xué)出版社，2003.

2011－12－26）

葉海舟（1968－），男，安徽桐城人，工程師，從事設(shè)備管理工作。