轴联接的有限元分析

叶海舟

（铜陵有色金属集团股份有限公司安庆铜矿， 安徽铜陵市 246231）

轴联接的有限元分析

叶海舟

（铜陵有色金属集团股份有限公司安庆铜矿， 安徽铜陵市 246231）

针对矿山某潜孔钻机中减速箱齿轮传动轴的平键联接进行静力有限元分析，得到轴和键的应力分布，并说明键的失效主要以挤压失效为主，为其校核和设计选型提供依据。

传动轴；平键联接；ANSYS分析；应力分布

0 引 言

机械传动结构中，转速或扭矩是通过齿轮变速箱将原动机功率传递到传动轴上，再分配到与传动轴联接的齿轮或联轴器等部件。其中键联接是主要的联接形式，其应用主要有2个方面：一是应用于机械传递、连接轴与带毂零件（如齿轮等），以实现轴向固定传递扭矩，在附加轴向固定还可以传递轴向力；另一方面，键还可以作为其他结构的连接件或辅助连接件，如定位装置、螺纹连接中卸载用的抗剪装置等［1］。在矿山机械的重载工况下，需传递的扭矩更大，键和键槽的联接更加需要重视。

本文以矿山某型号潜孔钻机回转头传动轴的普通平键联接为例，用ANSYS有限元软件进行应力计算，对键和键槽的接触进行探讨分析，为其校核和设计选型提供依据。

1 有限元模型的建立

图1为某型号潜孔钻机齿轮轴减速箱中的一根传动轴的尺寸。选用25mm×14mm×75mm的普通A型平键联接，液压马达动力通过减速箱轴变速后通过平键将1.6kN·m扭矩传到与之相连的轮毂上。因模型相对简单，在ANSYS中采用自下而上的建模方式，生成有限元模型，如图2所示。

轴及平键材料参数见表1。网格单元选用8节点solid45实体单元，因根据轴的实际尺寸进行建模，设定网格大小后自由划分网格。在此联接中，键的2个侧面与轴的键槽侧壁接触，通过挤压来传递原动机的扭矩。上下和前后4个工作面则为非工作面。选用接触单元Target170和Contact174在键和键槽接触工作面建立接触对，可以比较精确地模拟接触挤压情况。

图1 传动轴的二维尺寸

图2 有限元三维模型

表1 材料参数

实际工况中阶梯轴是动态旋转的。本文模拟的是刚开始传递扭矩的瞬时工况，即通过减速箱传动轴的平键刚把扭矩传过去，而轮毂仍处于静止时的受力情况，此时受力应该是最大的。位移约束条件为：轴的中心线全约束；键与轮毂接触面全约束。载荷施加条件为：笛卡尔坐标系转换为柱坐标后，将轴传递的扭矩按照F＝2 Me／D转换为总的切向力，按节点力的方式加载到2个轴端面最外圈的节点上。有限元网格和加载模型如图3所示。

2 ANSYS分析结果

由图4中总体应力分布可以看出，显然轴键槽与键的应力强度均小于各自材料的许用应力，处于材料的安全范围内。最大应力出现在键与键槽以及轮毂的接触面。相对接触面的高应力，轴其他的地方则应力相对很小。由图5中平键的应力分布可以明显看出，键上形成有明显的应力梯度，应力集中出现在平键工作面的接触部位，随着离接触面的距离增大而减小，且可以预测随着挤压力的增加，高应力区将由接触面向内部扩散，最终键出现大的挤压变形，即键被压溃［2］。

图3 有限元网格和加载模型

图4 轴键连接的总体应力强度

图5 平键的应力强度

3 结 论

采用矿山机械中的实例数据，对键轴联接的接触问题用ANSYS有限元软件进行静力分析，得到键和键槽接触面上的接触应力大小及变形趋势，为预测轴键的失效奠定了基础，有较为实用的工程应用价值。

［1］卢 洋，刘静娜.基于ANSYS的键联接有限元分析［J］.机电产品开发与创新，2010，23（5）：78－80.

［2］刘瑞堂.机械零件失效分析［M］.哈尔滨：哈尔滨大学出版社，2003.

2011－12－26）

叶海舟（1968－），男，安徽桐城人，工程师，从事设备管理工作。