頂驅(qū)主軸的熱與結(jié)構(gòu)耦合分析

楊瓊，李健，姜紅喜

（四川宏華石油設(shè)備有限公司，四川 成都 610036）

傳動(dòng)件運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦生熱或高溫的工作環(huán)境都會(huì)產(chǎn)生高熱區(qū)域，該區(qū)域的熱膨脹可能影響傳動(dòng)精度，也可能造成意外磨損，導(dǎo)致受力不均，造成結(jié)構(gòu)偏載。以上影響對(duì)傳動(dòng)部件的運(yùn)轉(zhuǎn)都非常不利，甚至可能造成不可預(yù)期的事故。因此引入有限元熱和結(jié)構(gòu)的耦合分析，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中提前計(jì)入熱膨脹的影響，可以為設(shè)計(jì)機(jī)械間隙和控制精度等提供參考。

以某頂驅(qū)主軸部件為例，擋圈與下端蓋之間的間隙設(shè)計(jì)只考慮了裝配及運(yùn)轉(zhuǎn)的需求，沒有計(jì)入熱膨脹的影響，在實(shí)際使用過程中，由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行及軸內(nèi)腔循環(huán)泥漿帶來的溫度，主軸溫度升高，導(dǎo)致?lián)跞﹄S主軸熱膨脹產(chǎn)生軸向位移，與下端蓋接觸，產(chǎn)生摩擦，影響主軸的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本文以頂驅(qū)主軸和擋圈的熱和結(jié)構(gòu)耦合分析為例，利用有限元法分析軟件建模，對(duì)主軸及擋圈進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，并以主軸瞬態(tài)熱分析的溫度場(chǎng)為依據(jù)，計(jì)算出主軸的熱變形，為主軸部件的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)階段就可以預(yù)測(cè)主軸的溫升和熱變形情況，并進(jìn)行必要的改進(jìn)。

1 有限元模型

1.1 材料設(shè)置

主軸材料為40CrNi2MoA，擋圈材料為Q235。材料的楊氏模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，從微觀角度來說，則是原子、離子或分子之間鍵合強(qiáng)度的反映。凡影響鍵合強(qiáng)度的因素均能影響材料的彈性模量，如溫度變化。因此熱分析中需考慮材料楊氏模量及導(dǎo)熱性隨溫度的變化，具體參數(shù)設(shè)置如下表1、表2。

表1 材料楊氏模量

表2 材料熱導(dǎo)率

1.2 熱分析有限元模型

圖1 主軸和擋圈

圖1為主軸和擋圈示意圖。主軸電機(jī)內(nèi)(圖2 A處)溫度為100℃，軸承接觸位置（圖2 B處）分別取200℃、250℃、300℃，內(nèi)腔（圖2 C處）70℃。主軸電機(jī)內(nèi)及軸承接觸位置取空氣介質(zhì)對(duì)流系數(shù)，內(nèi)腔由于有泥漿循環(huán)，取液體介質(zhì)對(duì)流系數(shù)。

擋圈外表面（下圖3 A處）取電機(jī)內(nèi)溫度100℃，內(nèi)壁（下圖3 B處）取主軸對(duì)應(yīng)位置分析得出的溫度。所有表面取空氣介質(zhì)的對(duì)流系數(shù)。

圖2 主軸模型

圖3 擋圈模型

表3 熱分析邊界條件

表3為熱分析邊界條件，其中對(duì)流系數(shù)（Convection coefficient）是指物體表面與附近空氣溫差1℃，單位時(shí)間單位面積上通過對(duì)流與附近空氣交換的熱量。單位為W/(m2·℃)。表面對(duì)流換熱系數(shù)的數(shù)值與換熱過程中流體的物理性質(zhì)、換熱表面的形狀、部位、表面與流體之間的溫差以及流體的流速等都有密切關(guān)系。物體表面附近的流體的流速愈大，其表面對(duì)流換熱系數(shù)也愈大。對(duì)流換熱系數(shù)的大致量級(jí)：空氣自然對(duì)流5～25；氣體強(qiáng)制對(duì)流20～100；水的自然對(duì)流200～1000；水的強(qiáng)制對(duì)流1000～15000；油類的強(qiáng)制對(duì)流50～1500；水蒸氣的冷凝 5000～15000；有機(jī)蒸汽的冷凝500～2000；水的沸騰2500～25000。

2 分析結(jié)果

2.1 熱分析結(jié)果

從瞬態(tài)熱分析的結(jié)果可以看出（見圖4、圖5），頂驅(qū)軸的溫度趨于穩(wěn)定時(shí)，最高溫度為軸承接觸位置，約230℃，最低溫度約70℃。

圖4 主軸瞬態(tài)熱分析云圖結(jié)果示例

圖5 主軸溫度變化時(shí)間歷程曲線示例

2.2 靜力分析結(jié)果

主軸分析對(duì)其上端面全約束，擋圈約束一個(gè)端面。為了對(duì)比結(jié)果，分別分析三種情況：（1）不計(jì)入熱影響，加載250t （case0）；（2）導(dǎo)入熱分析結(jié)果，不加250t（case1,2,3）；（3）導(dǎo)入熱分析結(jié)果加250t載荷（case1,2,3）。

從表4以及圖6～圖9可以看出，由于熱膨脹的影響，軸向受熱伸長(zhǎng)量接近結(jié)構(gòu)單純承載時(shí)的3倍，徑向變形由壓縮變?yōu)榕蛎洠贿^變形量較小，可以忽略。隨著溫度升高，主軸各向伸長(zhǎng)量逐漸減小。到200℃以上，主軸變形主要受熱膨脹影響，載荷對(duì)主軸變形影響基本可以忽略。針對(duì)這一現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)中擋圈與下端蓋間隙設(shè)置過小，在考慮裝配和運(yùn)轉(zhuǎn)需求的間隙后，還必須設(shè)置大于2mm的間隙余量，否則使用中可能造成間隙被吃掉，會(huì)影響主軸正常運(yùn)轉(zhuǎn)。考慮熱影響，重新設(shè)計(jì)擋圈，調(diào)整間隙后主軸運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

表4 熱結(jié)構(gòu)耦合分析結(jié)果對(duì)比

圖6 主軸靜力分析模型

圖7 擋圈靜力分析模型

3 結(jié)語

通過對(duì)頂驅(qū)主軸進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)耦合分析，預(yù)測(cè)了主軸熱平衡狀態(tài)，并求解出主軸及擋圈的熱變形，為主軸部件的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，以便設(shè)計(jì)者進(jìn)行必要的改進(jìn)。

圖8 軸向伸長(zhǎng)趨勢(shì)圖

圖9 徑向伸長(zhǎng)趨勢(shì)圖