采棉頭座管內彈性銷失效的力學分析

周文卿 安貴杰 閆 哲 張有強

（塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾843300）

新疆是中國最大的棉花生產基地，具有較高的機械化生產水平。2018 年，新疆棉花總產量占全國的83.3 %，兵團機采棉面積達1 000 萬畝，共擁有采棉機3 600臺［1］。采棉機的采摘作業具有較強的連續性與季節性，氣候因素和田間環境對采棉機內部部件的影響較大。為了保證采棉機的作業質量，需要經常對采棉機采棉頭進行檢查和維護。彈性銷作為采棉頭中關鍵零件，常出現裂紋、斷裂等故障，導致采棉機摘錠無法進行正常采摘，是影響采棉機采凈率的重要因素，對棉花搶收生產造成巨大損失。

銷連接是機械設備中常用的一種連接方式，具有結構簡單，連接迅速等特點［2］。當采棉機連續采摘作業達到300 hm2，彈性銷容易失效，其主要失效形式是疲勞引起的彈性消失和斷裂。為了提高銷子的可靠性和使用壽命，國內外學者對其制造材料、結構、加工及裝配工藝等進行了大量的研究［3-10］。郭弘等［11］從彈性銷的化學成分、硬度及金相組織進行分析，發現原材料中的帶狀組織是其產生裂紋的重要原因，提高熱處理工藝能使彈性銷的性能得到改善。史秋月等［12］從彈性銷斷裂的形貌特征及顯微組織等進行研究，表明零件的應力腐蝕導致了其最終的疲勞斷裂。王榮榮等［13］建立了圓柱銷的三維模型，利用ANSYS 軟件對其裝配過程預應力進行仿真，得到銷子的接觸壓力分布規律。劉鋒等［14］通過對長銷和短銷兩種彈性銷進行有限元分析，提出兩短銷串聯替代長銷能延長銷子的使用壽命。采棉頭座管內的彈性銷使用工況更加惡劣復雜，其損耗過快是采棉機檢修過程中重大問題。

本文在分析采棉頭座管結構與彈性圓柱銷的工作原理基礎上，建立彈性圓柱銷的三維模型，利用COMSOL軟件進行有限元分析，探究不同安裝方式下彈性銷的力學性能，為提高采棉頭座管內彈性銷的可靠性提供理論依據。

1 采棉頭座管內部結構及工作原理

采棉機的采棉頭座管內部結構如圖1所示，主要由摘錠、座管、驅動軸、驅動齒與彈性銷等組成。采棉機進行采摘作業時，摘錠驅動軸在驅動器的作用下開始轉動，驅動齒通過彈性銷固定連接在驅動軸上，彈性銷將驅動軸的動力傳遞到驅動齒，驅動齒帶動摘錠旋轉，然后由高速旋轉的摘錠開始采摘棉花［15-16］。

圖1 采棉機采棉頭座管內部結構

彈性圓柱銷在采棉頭座管內主要作用為固定連接與動力傳遞，采棉機在棉田不平整度的影響下機身無法避免產生振動，彈性銷的彈性能有效地緩解吸收座管內部部件之間的沖擊和振動。

圖2 國產與進口彈性圓柱銷

圖2是國產與進口的彈性圓柱銷，其中國產銷槽口較寬，倒角角度較大，制造材料為錳鋼，厚度約為0.78 mm，具有較高的強度和彈性；進口銷一般參照美國標準ASME B18.8.2 規范生產，其槽口與倒角角度較小，易于安裝入位，制造材料為彈簧鋼，厚度約為0.81 mm，其彈性與剛性較好，且耐疲勞、抗剪切性能優良。

2 彈性銷力學分析

2.1 建立模型

GB-879 彈性圓柱銷是采棉機使用與維護中應用最廣泛的一種，其制造材料為65 Mn，彈性模量為206 GPa，密度為7 830 kg/m3，泊松比為0.3，公稱直徑為2. 5 mm，公稱長度為30 mm［14，17］。采用PRO/E 軟件建立彈性圓柱銷的三維模型，然后將其導入COMSOL 軟件中進行靜力學分析。利用布爾操作和分割在彈性銷表面建立棱線，以便后續邊界條件的設定，彈性圓柱銷模型及棱線的建立，如圖3所示。

圖3 彈性圓柱銷幾何模型

模型網格劃分的單元大小選擇超細化，其網格單元屬性，如表1所示。處理后的完整網格包含8 461個域單元，4 602個邊界元和534個邊單元，如圖4所示。

表1 網格單元參數

2.2 約束和加載

為了探究彈性圓柱銷在不同安裝方式下的受力特性，將分為槽口向垂直方向和水平方向兩種安裝形式進行仿真分析，如圖5所示。彈性銷安裝方式的改變不影響其約束和受載形式，為描述銷孔對彈性銷的位移限制，在銷表面建立的棱線上采用單邊固支進行約束。結合彈性銷實際運動規律，圖5a 中彈性銷槽口垂直安裝時，在棱線2 上施加固定約束；圖5b中彈性銷槽口水平安裝時，在棱線3上施加固定約束。彈性圓柱銷的主要受載形式為驅動齒與驅動軸兩個聯結件作用的轉矩，使彈性銷受到擠壓變形。將彈性銷的棱線均分成兩段，在左右兩側一半棱線上施加載荷，假定兩個載荷大小均為200 N，反對稱分布，如圖4、5所示。

圖4 彈性圓柱銷網格處理與加載

圖5 彈性圓柱銷安裝方式

3 結果與分析

3.1 應力與應變

彈性銷在工作時，由于扭矩作用產生的剪應力使零件具有應力腐蝕條件，表面開始發生點蝕，并逐漸形成裂紋。當裂紋繼續擴展，應力超出零件的許可載荷，將導致彈性銷產生應力腐蝕疲勞斷裂［9］。通過COMSOL 仿真計算得到彈性銷不同安裝方式下的應力、應變、總位移，如圖6所示。

圖6 彈性銷不同安裝方式下應力、應變、位移分析圖

由圖6 可以看出，彈性銷的安裝方式會對其應力、應變與變形產生不同的影響。圖6a 為彈性銷槽口垂直安裝時仿真結果，應力和應變主要分布在棱線2 附近，集中程度較高；位移變形主要發生在靠近槽口位置。圖6b 為彈性銷槽口水平安裝時仿真結果，應力、應變與總位移主要分布在棱線1 和棱線3附近，并且應力向棱線周圍逐漸擴散。對比2種安裝方式可知，槽口垂直安裝應力集中程度較高，槽口水平安裝應力和應變分布較分散，表明在使用過程中槽口垂直安裝的彈性銷更容易出現疲勞損壞。另外，彈性圓柱銷在安裝過程中應注意槽口不能完全閉合，需留有一定的寬度用于變形。

為了進一步判斷彈性銷在不同安裝方式下的疲勞過程和危險區域，對棱線1、棱線2 與棱線3 的應力具體分布情況進行分析。2 種安裝方式各棱線應力變化，如圖7所示。

由圖7a 可以看出，當彈性銷槽口垂直安裝時，棱線2 的應力值明顯大于棱線1 與棱線3 的應力值，其中間位置應力變化趨勢平穩，平均應力在175 MPa左右，而兩端應力較高；棱線1 和棱線3 應力值較小，平均應力在50 MPa 左右。表明棱線2 附近比其他位置更容易產生疲勞，且兩端將最先出現損傷。

由圖7b 可以看出，當彈性銷槽口向水平方向安裝時各棱線的應力值范圍相近，平均應力在100 MPa左右。棱線1兩端應力分布存在差異，由于加載的作用沿一端應力值逐漸增大。棱線2的應力分布均勻，無較大變化和波動。棱線3兩端應力值較大，向中間逐漸變小。

綜合分析，彈性銷槽口向垂直方向安裝時表面的最大應力值較槽口向水平安裝時大，其中槽口向垂直方向安裝時應力集中明顯，存在局部位置應力過大。彈性銷槽口向水平方向安裝方式能夠改善應力分布，使應力分布更加均勻，提高使用過程中的可靠性。另外，在兩種安裝方式中均出現彈性銷兩端應力值高于中間部位，表明彈性銷的疲勞損傷最先發生在兩端。在提高彈性銷力學性能過程中應注意選擇恰當的剛度，當剛度過大時，會使銷孔不斷地擴大，孔和銷的配合松動，增加沖擊與振動，加快零件損耗。

圖7 不同安裝方式下各棱線應力分布

3.2疲勞壽命分析

彈性圓柱銷在低于材料屈服強度的循環應力作用下不斷地產生彈性變形，形成高周疲勞。靜力學分析結果表明，彈性銷槽口向水平方向安裝時可靠性較好，為進一步探究彈性銷的失效過程，預測其疲勞壽命，在靜力學分析仿真過程中添加疲勞物理場，通過制造材料的S-N 曲線對向水平方向安裝的彈性銷進行疲勞評估。查機械工程材料數據手冊可得65 Mn鋼的S-N曲線散點數據，如表2所示［18］。

表2 65 Mn鋼中值疲勞壽命

考慮彈性銷惡劣的工作環境和加工制造技術的影響，應對S-N 曲線數據進行修正，修正方法表示如下：

式中：σa為應力幅值，k 為修正系數，N 為疲勞壽命，fSN為S-N曲線，其中k取0.3。

圖8 彈性銷疲勞壽命分析

當彈性銷槽口向水平方向安裝時，得到其疲勞壽命云圖，如圖8 所示。由仿真結果可以看出，疲勞主要發生在圓柱銷端部，與靜力學分析結果一致。彈性銷端部最小失效周期為4. 88×104次，其他區域失效周期較長。表明彈性銷的端部是疲勞損傷的危險區域，進一步驗證應力腐蝕造成的疲勞失效是影響彈性銷壽命的重要因素。采棉機作業條件和環境是彈性銷腐蝕疲勞主要來源之一，在采摘過程中機身運行不平穩無法避免產生振動，從而引起彈性銷不斷的變形。因此，其制造材料必須具有較高的抗疲勞性能，并選擇較好的加工工藝，以提高彈性圓柱銷的質量，減少疲勞斷裂。此外，采棉頭中摘錠的質量對采棉機至關重要［19］。由于摘錠錐齒輪與驅動齒生產加工、磨損等影響，齒輪嚙合中必然存在間隙，當間隙較大時，齒輪載荷分布不均從而產生振動［20］，彈性圓柱銷吸收振動增加疲勞損傷。選擇質量較好的摘錠能減輕摘錠錐齒輪與驅動齒的沖擊和振動，進而延長彈性銷的使用壽命。

4 結論

（1）本文通過對采棉機采棉頭座管內部工作結構及原理的分析，建立了彈性銷的三維模型，對不同安裝方式的彈性銷進行靜力學分析，表明彈性銷槽口向水平方向安裝方式有利于改善其應力分布，減輕疲勞損傷。

（2）對彈性銷的疲勞壽命進行評估與分析，當槽口向水平方向安裝時其最小失效周期為4. 88×104次，預測彈性銷端部是開始出現疲勞損傷的部位，仿真結果對彈性銷的使用和設計加工等具有參考意義。