销轴强度分析及优化设计_李辉.pdf

煤矿机械Coal Mine MachineryVol.44 No.5May.2023第44卷第5期2023年5月doi:10.13436/j.mkjx.2023050401锥销组件联接基于锥销组件锥面定心精度高、通用性好、抗冲击和抗振动能力强的优点，采煤机摇臂和牵引之间的联接多采用此种方式，如图1所示。锥销组件主要由锥套、销轴、螺杆及螺钉等部分组成，为了保持摇臂和销轴之间的润滑，常在销轴上开出径向和轴向油槽；销轴承受来自摇臂的冲击力、螺杆拉力、螺钉的拉力、与销轴的配合力以及摩擦力，摇臂冲击力大造成销轴表面压溃，甚至发生折断现象。针对上述问题，拟从销轴强度及疲劳寿命的角度进行研究，并给出优化方案。图1锥销组件组成1.锥套2.销轴3.螺杆4.螺钉2销轴受力分析若要使采煤机销轴表面不发生压溃或者剪断，其强度必须得到满足，即销轴表面挤压应力p1=F/L1（D1-d1）p1（1）D1-d1F/（L1p1）（2）销轴承受剪切应力1=F/（D12-d12）/41（3）D12-d12F/（1/4）（4）式中p1销轴许用挤压应力，MPa；1销轴许用剪切应力，MPa；F销轴所受外负载，N；L1销轴承载长度，m；D1销轴外径，m；d1销轴内径，m。由式（1）式（4）可以看出，在外负载一定的前提下，增大销轴外径、增大销轴承载长度可同时降低销轴所受挤压应力及剪切应力；选用优质材料可提升材料许用挤压应力和许用剪切应力。3销轴强度分析针对某机型采煤机销轴损坏情况，首先进行静强度分析，由于销轴所属摇臂是回转体，销轴将随摇臂不同位置的变化而变化。为此利用SolidEdge进行*天地科技创新创业资金重点项目（2022-2-TD-ZD004）；上海煤科科研开发项目（02060117822J）；天地上海采掘装备科技有限公司技术改进项目（TDSH2022-05）销轴强度分析及优化设计*李辉1，2（1.天地上海采掘装备科技有限公司，上海200030；2.中煤科工集团 上海有限公司，上海200030）摘要：利用多体动力学软件确定销轴的最大受力及位置，利用有限元分析软件对销轴进行了强度分析，利用疲劳模块对销轴进行了疲劳寿命分析，发现销轴存在应力集中、受力不均匀及疲劳寿命不高等问题。基于理论分析法确定了销轴强度及疲劳寿命的影响因素，并对结构进行了优化设计。结果表明，优化后的销轴应力分布、应力集中情况均有改善，且沿圆周方向无应力集中现象，疲劳安全系数高。关键词：强度；优化；疲劳寿命；有限元分析中图分类号：TH122文献标志码：A文章编号：1003 0794（2023）05 0126 02Strength Analysis and Optimization Design of Pin ShaftLi Hui1，2(1.Tiandi Shanghai Mining Equipment Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200030,China；2.Shanghai Co.,Ltd.,China CoalTechnology and Engineering Group,Shanghai 200030,China)Abstract:The maximum force and position of the pin shaft were obtained by using the multi-bodydynamics software to obtain.The strength and fatigue life of the pin shaft were analyzed by using thefinite element analysis software and the fatigue module.It was found that the pin shaft has problemssuch as stress concentration,uneven stress and low fatigue life.Based on the theoretical analysis,theinfluencing factors of pin shaft strength and fatigue life were determined,and the structure wasoptimized.Results show that the stress distribution and stress concentration of the optimized pin shaft arebetter than before,and there is no stress concentration along the circumference.The optimized pin hashigher fatigue safety factor.Key words:strength；optimization；fatigue life；finite element analysis1234126三维建模，如图2所示，并导入到多体动力学软件中，设置摇臂由最高位置摆到最低位置，得出了销轴的受力变化曲线如图3所示，由图3可以看出摇臂在最高位置时销轴所受外力最大，为6.59106N。图2整机模型时间/s图3销轴随摇臂摆动受力变化曲线将销轴三维模型保存为.X_T格式文件，导入ANSYS后对两边进行固定约束，对中部施加上述最大载荷，得出销轴的应力云图如图4所示，由图4可以看出，其凹槽处应力为252.56 MPa，中部与摇臂接触处应力为81.633 MPa，且长度约为接触长度的1/3，应力集中现象比较明显。图4现有销轴应力云图4销轴优化设计因应力集中系数对疲劳寿命影响较大，拟取消2道环形凹槽结构，采用带1处润滑通道的销轴，优化后如图5所示，利用ANSYS对其进行强度分析，结果如图6所示。由图6可以看出，优化后的销轴存在一定的应力集中现象，局部凹槽处应力为211.29 MPa，中部与摇臂交接处应力为77.559 MPa，长度为整个接触长度，且沿圆周方向无应力集中现象发生，优化后的销轴较优化前强度高。图5优化后销轴图6优化后销轴应力云图为了验证优化对销轴疲劳寿命的影响，在利用动力学分析软件得出了销轴的受力后，利用MATLAB随机生成一组符合正态分布的载荷谱，在ANSYS中输入材料属性后，利用其疲劳模块对销轴进行了疲劳寿命分析，结果如图7所示。（a）优化前（b）优化后图7销轴安全系数分布从图7可以看出，优化前销轴环沟槽处安全系数为1.23，接触面安全系数为1.54；而优化后接触面安全系数为1.96，优化效果较为明显。5结语（1）对采煤机整机进行了动力学分析，得出了销轴的最大载荷及其位置，为销轴的强度校核、寿命分析及优化设计奠定了基础；（2）对销轴受力进行了理论分析，确定了销轴的优化因素；（3）利用ANSYS的结构和疲劳模块对优化前后销轴进行了寿命分析，结果显示优化销轴在强度和疲劳寿命方面均较优化前好。参考文献：1单士睿,刘亚楠.锥套装置的设计及应用分析J.机械传动,2012,36(9):111-113.2段铭钰,许静.基于锥面配合的采煤机机身联接方式设计J.煤矿机械,2020,41(8):104-105.3陈秀宁.机械设计基础M.杭州：浙江大学出版社,2010.4李辉.锥销组件可靠性研究J.煤矿机械,2022,43(6):22-23.5周君涛，何永，蒋潇蓉，等.基于ADAMS的某携行具动态仿真分析J.机械制造与自动化,2021,50(5):113-115171.6魏升,周常飞,汪崇建.采煤机行走轮疲劳寿命仿真分析J.机械传动,2014,38(1):112-114118.作者简介：李辉（1989-），安徽宿州人，工程师，硕士，研究方向：采煤机械设计及仿真技术研究，电子信箱：.责任编辑：张欣收稿日期：20221015第44卷第5期Vol.44 No.5销轴强度分析及优化设计李辉力/106N1020304007654321252.5681.633548.64 Max487.70426.77365.83304.89243.96183.02122.0861.1450.208 6 MinMin211.2977.559467.04 Max415.19363.34311.49259.64207.79155.94104.0952.2450.396 63 Min1.234 91.541 64.428 63.857 13.285 72.714 32.142 91.571 41.000 00.209 4 Min015 Max108.26.44.62.80.338 19 Min01.961 1127