Word文檔大型提升機械減速機高速斜齒輪軸斷裂采用ANSYS軟件及結(jié)構(gòu)優(yōu)化摘要：某煤礦大型提升機械減速機高速斜齒輪軸發(fā)生斷裂，采納ANSYS軟件對斜齒輪軸進行靜強度分析，確定其斷裂緣由是疲憊斷裂，之后用ANSYS/FE-SAFE疲憊軟件對斜齒輪軸進行疲憊壽命分析，并在此分析基礎(chǔ)上對斜齒輪軸進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證平安生產(chǎn)。

引言

礦用提升機是聯(lián)系井下與地面的主要運輸工具，主要用于煤礦、金屬礦和非金屬礦中提升煤炭、礦石，升降人員，下放材料的工具和設(shè)備。是一套簡單的機械—電氣機組。礦用提升機與壓氣、通風(fēng)和排水設(shè)備組成礦井的四大固定設(shè)備。某煤礦大型提升機械減速機高速斜齒輪軸發(fā)生斷裂，斷裂實物圖如圖1所示，斷裂部位為加工螺紋的退刀槽和軸肩的過渡部位。從斷裂的實物圖可知斷裂截面分成明顯的光滑和粗糙兩個區(qū)域，清晰地顯示出裂紋的發(fā)生、擴展和最終斷裂三個組成部份。依據(jù)金屬疲憊的破壞機理可以初步斷定為疲憊破壞[1]。本文應(yīng)用ANSYS軟件對斜齒輪軸進行靜強度分析，結(jié)合疲憊累計損傷理論法則和疲憊破壞概念來查找斜齒輪軸斷裂的緣由。并用特地的疲憊分析軟件FE-SAFE完成疲憊分析過程，之后對此進行結(jié)構(gòu)改進，以做到提前維護和更換，保證平安生產(chǎn)。

軸承支反力力的大小及其方向，要依據(jù)齒輪軸的尺寸和齒輪施加給軸的各力的大小和方一直確定。其結(jié)果我們可以直接通過ANSYS軟件從最終的分析結(jié)果中提取。此軸可沿Z軸轉(zhuǎn)動，因此在軸承處限制其余5個方向（UX，UY，UZ，MX，MY）的自由度。依據(jù)結(jié)構(gòu)特點，在簡化為固定鉸鏈軸承的端面軸肩處施加沿Z軸方向的軸向約束UZ，限制斜齒輪軸沿Z軸方向的移動。利用ANSYS后處理完成分析過程，顯示其等效應(yīng)力云圖如圖5所示，其局部放大圖如圖6所示。從應(yīng)力云圖可以看出：斜齒輪軸最大應(yīng)力為431.457MPa，發(fā)生在靠近連電機一端加工螺紋的退刀槽和軸肩的過渡部位，此部位尺寸變化比較大，有明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象。從分析的結(jié)果可知：斜齒輪軸所受應(yīng)力最大的危急部位和實際斷裂部位相全都，最大應(yīng)力值都小于其許用應(yīng)力，式中s為屈服極限，785MPa；sn為平安因數(shù)，1.3。依據(jù)疲憊累計損傷理論和疲憊破壞的概念：零部件在名義應(yīng)力低于材料強度極限，甚至低于屈服極限的交變應(yīng)力作用下，材料發(fā)生破壞的現(xiàn)象稱之為疲憊破壞。由此可以斷定此提升機械減速機高速斜齒輪軸斷裂的緣由為疲憊破壞。

2ANSYS/FE-SAFE疲憊壽命計算

提取ANSYS分析結(jié)果，即RST文件，導(dǎo)入到FE-SAFE軟件進行疲憊壽命計算。除此之外，F(xiàn)E-SAFE進行疲憊分析需要其余兩方面的輸入：1）材料的疲憊性能參數(shù)；2）載荷時間歷程曲線。FE－SAFE備有各種常用材料的疲憊特性數(shù)據(jù)庫并具有疲憊數(shù)據(jù)的估算功能，本文采納ANSYS/FE-SAFE供應(yīng)的Seeger’材料數(shù)據(jù)估算法。輸入強度極限和彈性模量后得到20CrNiMo的疲憊性能曲線，即S-N曲線。在FE-SAFE數(shù)據(jù)文件窗口中導(dǎo)入載荷時間歷程曲線，導(dǎo)入的載荷時間歷程曲線是現(xiàn)場實際測量的一部分，應(yīng)涵蓋了應(yīng)力全部的變化狀況。選取應(yīng)力-壽命曲線進行單軸分析的vonMiss:-Goodman算法，應(yīng)用Miner線性累積損傷準(zhǔn)則計算節(jié)點的疲憊壽命，經(jīng)過ANSYS后處理得到的斜齒輪軸的疲憊壽命云圖如圖7所示，局部放大圖如圖8所示。

通過疲憊壽命云圖可以發(fā)覺：斜齒輪軸最簡單發(fā)生疲憊破壞的位置消失在靠近電機一端加工螺紋的退刀槽和軸肩的過渡部位，并呈現(xiàn)對稱分布，和實際斷裂部位全都，最短的疲憊壽命為：次。5.379為斜齒輪軸對數(shù)疲憊壽命云圖中的最小值。電機轉(zhuǎn)速為300r/min，所以，在工作時間累積到分鐘之前就要提前更換設(shè)備[5～7]。

3結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進

基于靜強度和疲憊分析對斜齒輪軸斷裂部位進行結(jié)構(gòu)改進。斷裂部位安裝有鎖緊螺母和止動墊片，他們的共同作用是固定軸承內(nèi)圈的軸向移動。本文考慮用退卸套固定的方式固定軸承內(nèi)圈，退卸套固定避開了原來在軸上加工螺紋和止動槽的加工工藝，減小了軸上尺寸的跳動，更主要的是改用退卸套固定的方式并不影響齒輪軸其他部位的結(jié)構(gòu)特性。為了裝拆便利，只要將軸承內(nèi)圈由圓柱孔變成錐度為1:12的圓錐孔即可[8]。改進前、后斜齒輪軸局部圖如圖9、圖10所示。

通過對比改進前、后的斜齒輪軸的結(jié)構(gòu)，可以發(fā)覺：改進后的斜齒輪軸省去了螺紋、退刀槽以及止動槽，使2軸段的直徑和1處相等，圖9中的1和2軸段變?yōu)閳D10中的3，依據(jù)機械設(shè)計手冊，最右端和電機聯(lián)軸器相連的軸段直徑由70.18mm變?yōu)?9.64mm。這樣的結(jié)構(gòu)改進避開斜齒輪軸原來斷裂部位尺寸的跳動，其更符合應(yīng)力傳遞路徑，避開了此處應(yīng)力集中的現(xiàn)象；降低了生產(chǎn)成本；軸上零部件拆裝更加便利，有利于設(shè)備的檢測和維護。經(jīng)ANSYS/FE-SAFE軟件完成疲憊分析過程，顯示其綜合應(yīng)力云圖如圖11所示，疲憊壽命云圖如圖12所示。

通過靜強度分析的結(jié)果可以看出，在扭矩載荷的作用下，改進后的斜齒輪軸所受最大應(yīng)力的部位和改進前的相同，但是最大值應(yīng)力明顯減小，降低為223.226MPa，約為改造前的52%。在對數(shù)疲憊壽命云圖中可以看出，結(jié)構(gòu)改進后的斜齒輪軸在交變載荷的作用下的疲憊壽命達到無限循環(huán)壽命值，不會發(fā)生疲憊破壞，由此可知改進方案是勝利可行的。

4結(jié)論

本文采納ANSYS軟件對提升機械減速機高速斜齒輪軸進行靜強度分析，簡化了實際簡單的機構(gòu)，真實地再現(xiàn)了斜齒輪軸所受到的靜應(yīng)力狀況。最終以分布圖的形式顯示斜齒輪軸在靜載荷作用下的應(yīng)力分布狀況，得到其所受應(yīng)力最大的危急部位和實際斷裂部位全都，并依據(jù)疲憊的相關(guān)概念斷定減速機斜齒輪軸的斷裂緣由是疲憊斷裂，這與最初用金