双面研磨机关键部件有限元分析及其优化设计

成飞　刘玉涛

【摘 要】利用UG软件建立双面研磨机的关键部件传动轴的三维CAD模型，并将该模型导入有限元分析软件ANASYS中进行有限元分析，从而优化设计双面研磨机的传动轴。优化最终结果表明传动轴最大应力减小了25.7Mpa，位移最大变形为0.033mm。优化设计的结果能够为此类双面研磨机的改进提供相对应的帮助，具有一定的工程参考价值。

【关键词】双面研磨机；传动轴；ANASYS；优化设计

1.双面研磨机分析部件三维造型

双面研磨机多级齿轮传动系统中的传动轴的装配结构图如图1-1所示，传动轴上端安装有两个齿轮和一个链轮，两齿轮安装在轴肩的上端，中间用套筒连接支撑，传动轴立在平面轴承上，且传动轴低端面与平面轴承的上半部分通过螺钉固定在一起，传动轴的低端安装有两个滚动轴承，滚动轴承和链轮之间通过套筒竖直支撑，传动轴与安装低端的滚动轴承和平面轴承一起被固定在轴承座上，限制了传动轴的上下和左右跳动。

图1-1 传动轴装配结构图

2.有限元优化分析

2.1传动轴有限元分析参数设置

（1）定义单元类型和材料属性

本文选10节点四面体单元PLANE92，因PLANE92单元不需要定义实常数，所以直接忽略实常数的定义。材料的弹性模量EX选择2.02e5、泊松比PRXY选择0.27和密度为7.85e3。

（2）定义边界条件

传动轴上有2个齿轮和一个链轮，在下轴肩出受链轮和轴套支撑，只能绕中心轴旋转。在上轴肩受到两个齿轮和轴套的重量，3个键槽上还有力和扭矩。

2.2传动轴有限元结果分析

传动轴的位移分布，X方向最大位移为0.26mm，处于轴顶端键槽口；Y方向最大位移为0.11mm，也是处于轴顶端键槽口；Z方向最大位移为0.03mm，处于轴端面；总位移最大值为0.281mm，处于键槽口处。可以看出传动轴在上端没有任何固定防护措施的情况下，受到下面切向力和径向力的共同作用，使传动轴受到较大位移变形，长期处于这种工况下，传动轴的疲劳寿命值将大大减小，很可能出现传动轴崩断的现象，这种现象在实际设备的使用中也得到证实，设备使用不到一年就出现了传动轴的崩断现象。所以为了防止传动轴变形位移过大，必须对传动轴上端进行有效的优化设计。

传动轴的应力分布，X方向最大应力为181.802MPa，处于键槽内侧；Y方向最大应力148.794MPa，处于键槽内侧；Z方向最大应力为114.074MPa，处于上轴肩处；等效应力最大应力为206.323MPa，处于键槽内侧。传动轴的应力主要集中在键槽和轴肩处，而键槽内侧应力集中最为明显，虽然小于材料的最大安全许用应力330MPa，但是实际优化空间还是很大，应力主要集中在键槽和轴肩处，对于轴肩处的应力集中，在轴肩处倒一个内凹的圆角，可以有效的去除轴肩处的应力集中，为键槽内侧应力，不能简单的随意的改变加深键槽的深度和增加键槽的长度，因为键槽过甚深或过长将会削减传动轴的整体刚度，所以必须在一定安全范围尺寸内进行选取。

2.3传动轴结构优化

从上文的传动轴静力有限元分析可知，传动轴在初始设计的情况下是不满足设计要求的，传动轴在设备中是竖直放置的，且只有下端与设备固定，所以位移自下至上不断增大，最大出现在顶端。而最大应力主要集中在键槽的内侧。为此传动轴需要进行两方面的优化，传动轴的最大等效应力和最大位移为优化的两个主要的优化目标，优化的目标还包括传动轴的质量。传动轴的优化如下：第一、结构上的优化第二、通过有限元软件对传动轴的键槽进行尺寸优化，降低应力集中。

首先对传动轴键槽尺寸进行优化，键槽的长和深对应力影响最大，所以键槽的长度和深度是优化的两个变量因素，并考虑到键槽过大会降低整个传动轴的刚度，根据刚度条件和键槽配合关系，键槽安全长度的范围为24～26mm，深度的安全范围为6～10mm，传动轴参数化优化的其它基本已知因素，如体积、质量、应力和最大位移都是可以借助上文进行传动轴静力分析模型中直接导出。

（1）第一次结构优化

数据对比如表2-2所示，从表中由列表对比可知优化后应力得到了很大的优化，质量也有所减轻，但是位移却反而增加，还是不能满足设计要求。

表2-2 传动轴优化前后数据对比

（2）第二次结构优化

为了使传动轴不会出现较大位移致使机器工作不稳定，必须对传动轴上端进行结构优化，在传动轴的上端增加一个端盖并且用螺纹固定，上端齿轮同时配合装配设计一个内凸台使传动轴和顶端齿轮固接在一起，可以有效的传递和分散传动轴受到的切向力和径向力，从而降低传动轴的位移。由于该齿轮是配合机器升降，齿宽就是升降行程，啮合齿宽只占齿宽的三分之一，所以中间内凹对齿轮的刚度没什么影响[5]。具体结构优化如图2-3所示。

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图2-3 结构优化对比图

通过两次优化设计，传动轴最大应力和最大位移都完全符合设计要求，从总位移图中可知，最大位移出现在中间齿轮键槽出，因为中间齿轮为驱动齿轮，且传动轴上端没有下端固定稳定，所以得出的结果是符合实际情况的；而从等效应力图中可知，应力集中区域减小，且集中应力值得到降低，键槽的优化效果明显。两次传动轴的优化显著的提高了其性能和稳定性，为工厂的设备改进提供了可靠的理论指导和优化数据。

3.结论

对传动轴参数化优化设计，得出最优的键槽的长和深，并比较传动轴优化前后的应力、位移和质量的变化。从对比结果可知，最大应力减小了25.7Mpa，得到明显的优化，而位移却反而有所增加了0.034mm，此结果并不理想，为此进行结构优化，在轴连接的齿轮上部设置内凹结构，原先在外部固定的轴改为内嵌在齿轮内部，降低轴的左右摆动，对传动轴进行静力学分析，对比优化前后的结果可知，位移降到了0.033mm得到了明显优化，完全符合了设计要求，最大位移出现在键槽内侧，并且最大值远小于初始值，应力分布也得到了一定的优化。通过两次的优化设计，使双面研磨机的传动轴满足了设计和工作要求。

参考文献：

[1]李长河，李晶尧，韩振鲁.精密超精密游离磨料加工技术.青岛理工大学，2012.

[2]詹承先.全自动研磨机的研究和设计.厦门大学，2008.

[3].双面数控高速研磨机计算机控制系统的研制.长春理工大学，2007.

[4]穆雪健，路玮琳，孔艳.2MM8470型精密双面研磨机的研制.精密制造与自动化，2008（04）.

[5]DepingLiu.FiniteElementAnalysisofHigh-SpeedMotorizedSpindleBasedonANSYS.OpenMechanicalEngineeringJournal，2011.Vol.5，p1-10.10P.