基于Ansys有限元仿真采棉机齿轮箱中间轴的强度分析

魏 敏，张宏文，朱 洪

WEI Min,ZHANG Hong-wen,ZHU Hong

（石河子大学 机械电气工程学院，石河子 832000）

0 引言

我国作为生产棉花的大国，随着采棉机的广泛推广和技术改进，机采棉含杂率的问题和棉花质量等级的问题已基本得到解决。中间轴系统是采棉机传动系统的重要组成部件，它的作用是把电动机动力经中间轴系统齿轮箱变速，传到采棉头滚筒和水平摘锭上，保证采棉机的正常工作。

采棉头齿轮箱中间轴系统的主要作用是传递电动机的动力，把动力经齿轮传递给采摘滚筒和摘锭，保证采棉机的正常工作。中间轴的结构参数设计，加工制造工艺流程及装配时的精度都会影响中间轴系统的可靠性。采棉机在工作过程中，中间轴的所受应力是随采摘滚筒负载大小变化的交变应力，如果中间轴长时间处在交变应力的作用下，中间轴容易产生疲劳破坏，而且破坏部位常发生在应力集中的部位，因此在正常工作状况下受力的不稳定及突变，都会引起中间轴的失效。一旦中间轴发生失效断裂，就会影响到中间轴上其他零部件的正常工作状况，降低中间轴系统工作精度，缩短其他零部件的使用寿命。

本文通过传统的理论计算方法得到中间轴在工作过程中的载荷数据，并对中间轴进行强度和刚度校核，利用ansys有限元软件对中间轴进行仿真分析，得出在工作状态下中间轴的应力云图和变形云图，对ansys的云图和理论计算方法进行对比分析，分析中间轴易发生破坏的部位，为中间轴的设计和制造工艺提供参考。

1 中间轴系统工作过程分析

1.1 中间轴系统的装配图

在Solidworks环境下，利用工作界面里的草图、特征及参数化建模方式，可以很方便的构建中间轴系统的主要零部件：中间轴、53齿轮、离合连接盘、23齿轮、压力弹簧和轴承的三维实体模型。再利用Solidworks装配功能插入和配合，完成中间轴系统的装配图，中间轴系统的装配图如图1所示。

图1 中间轴系统的装配图

1.2 中间轴系统的工作过程

根据研究可知压力弹簧是通过一定预压紧力装配在中间轴系统中，大齿轮的作用是把电动机的动力传递给主轴，并带动离合连接盘转动，离合连接盘再带动小齿轮运动，小齿轮最终把动力传递给采摘滚筒，大齿轮在通过齿轮加速最终把动力传到摘锭上。采棉机正常工作时，采摘滚筒所需动力小，离合连接盘轴向分力和脱开力始终小于预紧力，所以离合连接盘始终不脱开，采棉机正常工作。

当采摘滚筒出现堵塞或负载过载时，采摘滚筒保持正常工作所需的动力增大，需要电动机输出更大的功率，大齿轮获得的功率增大，传递给离合连接盘扭矩增大，此时离合连接盘在轴向分力增大，当离合连接盘轴向分力和脱开力大于正常工作时弹簧的压紧力时，小齿轮轴向移动压紧弹簧，离合连接盘脱开。大齿轮和主轴空转，切断传递给小齿轮的动力，采摘滚筒停止工作，保护小齿轮及后面的传动装置，离合连接盘脱开起到过载保护的作用。此时采棉机继续前进，当采摘滚筒绕开时，离合连接盘在压力弹簧的压力下，推动小齿轮下移，使离合连接盘啮合，采棉机又正常工作。

中间轴是中间轴系统的核心部件，工作条件要求高，受力情况复杂，在正常工作情况下同时受到弯矩和扭矩的共同作用。如果中间轴发生失效，会影响中间轴上其他零部件的工作性能，降低整个采棉机的运动精度，缩短所有零部件的使用寿命。

当采棉机正常工作时，离合连接盘处于啮合状态，正常传递动力，此时传递的扭矩较小。当离合连接盘处于刚要脱开的临界点时，离合连接盘此时传递的扭矩最大，轴向分力也最大，当轴向分力大于或等于弹簧推力和离合连接盘的脱开力时，离合连接盘脱开，切断动力传递，小齿轮停止工作，大齿轮与中间轴结合部位所受的弯矩和扭矩最大。

大齿轮传递的扭矩可按下式计算：

2 中间轴的有限元仿真分析

2.1 建立有限元模型

为了减少有限元分析过程，在中间轴几何尺寸不变的情况下，可以忽略倒角和圆角等结构。从零件图中可知中间轴的材料为冷拉六角钢10-26/40cr，经过热处理和表面氧化处理。大齿轮的材料也为40cr，经过热处理和表面氧化处理，中间轴和大齿轮的材料属性如表1所示。网格的划分会影响到有限元分析精度，采用四面体网格solid95划分法对中间轴和大齿轮进行网格划分，建立的有限元模型如图2所示。

图2 模型网格划分

2.2 施加载荷及边界条件

大齿轮的中间孔为六边形，中间轴的截面为六边形，中间轴和大齿轮利用过盈配合进行装配，大齿轮通过扭矩把动力传给中间轴，当离合连接盘达到刚要脱开的临界点时，大齿轮传递的扭矩为T=32.8N.m，给中间轴和大齿轮的装配体施加载荷，并限制中间轴在两端轴承处的X、Y和Z方向的自由度。通过Ansys解算器求解运算，可以得到中间轴在外载荷作用下的应力云图、位移云图如图3、图4所示。

图3 中间轴的应力云图

图4 中间轴的位移云图

通过分析中间轴的应力云图可知中间轴的应力最大值在轴边缘（与大齿轮接合处），最大值为21.528 MPa。查设计手册可知轴的许用弯曲应力35 MPa，故轴的强度满足要求。

从位移云图可知中间轴变形最大位置在轴边缘(与大齿轮接合处)，其值为9.6×10-3mm，中间轴其他部位的变形很小，轴两端位移最小。大齿轮的法面模数mn=4.23mm，轴的允许挠度：

y=(0.01～0.03)mm=(0.0423～0.1269)mm>9.6×10-3mm，故轴的刚度满足要求。

3 中间轴的强度校核

3.1 中间轴的强度计算

当采棉机正常工作时，离合连接盘处于啮合状态，正常传递动力，此时传递的扭矩较小。当离合连接盘处于刚要脱开的临界点时，离合连接盘此时传递的扭矩最大，轴向分力也最大，当轴向分力大于弹簧推力和离合连接盘的脱开力时，离合连接盘脱开，切断动力传递，小齿轮停止工作，大齿轮与中间轴结合部位所受的弯矩和扭矩最大。

大齿轮传递的扭矩可按下式计算：

1）作出中间轴的计算简图

根据中间轴的结构，把中间轴当作简支梁，支点取在轴两端的轴承处，作出中间轴的计算简图，如图5(a)所示。

图5 中间轴的受力分析及弯矩、扭矩图

2）求作用在中间轴上的外力和支反力

中间轴在离合连接盘刚脱开的临界点时，动力切断小齿轮停止转动，离合连接盘空套在轴，所以中间轴所受的外力有作用在大齿轮上圆周力Ft和径向力Fr，作用在轴上的扭矩T，将作用在中间轴上的力向水平面和垂直面分解，然后再分别计算。

1）垂直面上的支反力（如图5(b)所示）

2)水平面上的支反力（如图5(c)所示）

3）作弯矩图

(1)垂直面上截面B左侧的弯矩（如图5(b)所示）

(2)水平面上截面B左侧的弯矩（如图5(c)所示）

(3)合成弯矩图（如图5(d)所示）

把垂直面和水平面的弯矩按矢量合成起来，其大小为：

4）作扭矩图（如图5(e)所示）

5）对中间轴的强度进行校核

中间轴在正常工作时，中间轴传递的扭矩较小，当采摘滚筒负载过大时，中间轴传递扭矩增大，导致离合连接盘脱开，小齿轮停止转动，此时截面B处所受的弯矩和扭矩最大，故截面B为轴的危险截面。中间轴单向转动，取α=0.6。中间轴的材料为40cr，调质处理，查设计手册的[σ]=70Mpa。

中间轴的弯扭合成强度条件为：

所以中间轴的强度满足要求。

3.2 中间轴的刚度计算

中间轴的弯曲刚度用挠度y及偏转角θ来度量。中间轴受集中载荷和扭矩的共同作用，查机械设计手册得出其挠度计算公式为：其中M为扭矩，E为弹性模量，I为惯性矩，l为支点间距，

所以中间轴满足刚度要求。

4 结论

利用ansys有限元分析软件对中间轴系统进行静力学分析，得到中间轴在工作状态下的应力分布图和位移分布图，结合理论计算结果得出中间轴的危险部位，进行对比分析，验证了ansys有限元分析方法的正确性，两种方法研究的结果是一致的，结果表明中间轴在实际工况下的危险部位发生在与大齿轮啮合部位，其分析结果对中间轴系统的设计和校核有重要指导意义。通过分析计算结果表明中间轴的结构设计合理，各性能参数满足强度、刚度要求。

[1] 肖志远,刘毅.基于有限元法的多级离心消防泵的泵轴强度分析[J].林业机械与土木设备,2012(7):40-43.

[2] 李杨,李根义.基于Solidworks 的一种新型减速器输出轴有限元分析[J].现代机械,2009,(3):8-9.

[3] 祝朋涛,魏敏,张宏文.采棉机摘锭三维虚拟建模及有限元分析[J].农机化研究,2011(4):39-41.

[4] 濮良贵,纪名刚,等.机械设计[M].高等教育出版社,2008:369-378.

[5] 雷天觉,吴宗泽,等,机械设计实用手册[M],化学工业出版社,2003(2):804-820.

[6] 张应迁,张洪才.ANSYS有限元分析从入门到精通[M].北京:人民邮电出版社,2010.