ANSYS軟件仿真在卷煙轉彎輸送機錐形軸失效分析中的應用

摘 要本文作者依據多年工作經驗，對ANSYS軟件仿真卷煙轉彎輸送機錐形軸失效分析的應用，以便和同行切磋與交流。

【關鍵詞】ANSYS軟件仿真 卷煙轉彎 優化方案

1 錐形軸結構

轉彎輸送機構是香煙輸送機轉彎位置處常用機構，整個機構包括三相異步減速電機、軸承及軸承座、錐形軸及其相關連接件，轉彎皮帶，其中當屬錐形軸結構相對復雜，易損壞，且損壞后更換難度大成本高，為此本文對錐形軸的失效原因進行了分析，并且給出優化方案。

現有錐形軸結構如圖1所示。該錐形軸為階梯軸形式，同時將與輸送皮帶的接觸面位置設計為錐形，這樣做的目的是為了保證皮帶轉彎過程中轉角內外側張緊力一致，轉彎角速度相同，線速度不同，達到轉彎的效果。錐形軸選用45鋼制成，完成后進行調制處理，增加硬度，最后再經氧化處理，防腐防銹。

2 ANSYS軟件仿真

目前，錐形軸在使用過程中主要會出現以下兩方面損壞問題：

（1）在頻繁啟停的工況下，錐形軸階梯位置處易產生變形及細微裂紋，且變形及裂紋隨工作時間增加逐步加大，直至使錐形軸失效。

（2）錐形軸與軸承接觸位置由初始過盈配合逐漸轉化為間隙配合，錐形軸旋轉過程中產生跳動，輸送帶產生振動，且振動逐漸加大，直至失效。

針對上述失效現象，本文將從結構設計與熱處理工藝方面給出原因分析，并提出解決方案。

ANSYS軟件是一款融合了結構、流體、電場、磁場分析于一體的大型通用有限元軟件，是現代產品設計、結構分析的重要工具。針對階梯軸位置處的變形及細微裂紋的產生，本文將采用ANSYS軟件進行仿真分析，從而獲得可靠的數據。

錐形軸結構整體而言相對比較簡單，因此可以直接在ANSYS中創建模型，且由于分析的重點是階梯位置處，因此錐形形狀對分析結果的影響較小，可以忽略不計，因此，為了簡化建模，本文將錐形結構簡化為圓柱形結構，創建有限元模型；完成建模后，賦予其單元屬性及材料屬性，劃分網格，加載及求解，最終獲得的求解結果如圖2所示。

圖2中的錐形軸最大應力值為57.8MPa，發生在第一階梯處。

為了驗證分析結果的可靠性，本文還將利用解析法求出實心圓柱體的抗扭強度，計算公式如下

τb=3Mb/4Wp（1-1）

其中Mb是扭轉力矩，Wp是扭轉時試樣截面的極斷面系數； 根據錐形軸實際尺寸參數，由上述公式（1-1）可計算出左側第一個階梯處剪切應力為τb1=56.5MPa；第二個階梯處的剪切應力為τb1=35.7MPa；第三和第四個階梯處在工作時基本不受剪切應力作用，因此本文不做計算。由計算結果可知，第一階梯處的剪切應力與ANSYS仿真結果基本一致，可做相互印證。查詢機械設計手冊可知，45號鋼的許用切應力[τ]=60MPa，盡管從計算結果來說基本能夠滿足使用要求，但是考慮到錐形軸長期處于啟停的工作狀態，因此極易出現疲勞應力，而為了保證結構的可靠性，一般會給定一個安全系數nf，一般情況下nf≥2，因此實際的許用切應力應低于30MPa，錐形軸在工作過程中的實際應力值已經超過了50MPa，因此工作過程中極易出現損壞。

除階梯處變形斷裂的問題外，在與軸承接觸的位置，工作一段時間后，原始的過盈配合會逐漸轉變為間隙配合，從而無法平穩轉動，產生振動現象。通過對現場問題分析，發現問題主要出在錐形軸上與軸承接觸位置，該位置處經過一段時間的工作，實際值比初始設計值有明顯減小，這就說明該位置在工作過程中產生了磨損；回頭來查看設計圖紙，發現整個階梯軸只做了調制處理，對于與軸承接觸的位置并沒有再做其他處理，這便是導致此處磨損的主要原因。

針對上述錐形軸出現的問題，根據分析原因，本文制定了如下優化方案：

（1）階梯位置處倒圓角，降低應力集中。

（2）對錐形軸上與軸承內圈接觸的位置進行二次處理，進一步提高其硬度，從而減少磨損，如進行噴完、滲碳或者滲氮處理。

（3）改變錐形軸結構，將原有的整體式錐形軸制作成分體組裝式錐形軸。本文將給出改進后的分體組裝式錐形軸結構設計方案。

由圖1可知，原始的錐形軸為一整體式，該結構中的階梯處如果出現變形或者磨損現象，則整個錐形軸全部作廢，為了減少這種不必要的浪費，本文提出了一種分體組裝式錐形軸的設計方案，能夠減少材料浪費，降低加工成本。分體組裝式錐形軸的設計方案見圖3所示。

由圖3可知，該分體組裝裝配式錐形軸整體分為三大部分，即左側輸入軸部分，中間錐形部分，右側支撐部分，根據實際情況右側磨損較嚴重，因此可以將整體硬度設計高一些，左側受交變載荷，因此在選材及熱處理時應充分考慮。另外該結構最大的優點在于整個錐形軸結構是組裝而成，平時可以根據實際情況多預備一些易損件，當結構出現損壞時只將其中易損部分更換。

參考文獻

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作者簡介

王晨雨（1988-），男，湖北省宜昌市人。學士學位。現為湖北省煙草公司宜昌市卷煙物流中心設備管理員。主要研究方向為設備維護管理、優化設計。

作者單位

湖北省煙草公司宜昌市卷煙物流中心 湖北省宜昌市 443099