过滤器轴键连接失效的分析与改进

□ 李洪波 □ 郭雨菲 □ 孙耀峻

洛阳船舶材料研究所 河南洛阳 471000

1 问题情况

轴类零件是机械传动中的关键零部件,在生产过程中,负责传递动力和扭矩,起至关重要的作用。结构合理的轴键连接对保证设备正常运行,提高生产效率,延长设备使用寿命起到非常重要的作用。

某型号压载水过滤器传动系统中的传动轴在使用过程中,发生轴键连接失效的问题。传动轴失效如图1所示,键失效如图2所示。发生失效问题以后,整个过滤器处理系统处于停机状态,给客户带来了很大的损失。

为彻底解决这一失效问题,笔者对轴键连接失效的原因进行分析,提出改进方案。通过理论计算和有限元分析,论证了改进方案的可行性。应用改进方案,经过实际运行,未出现类似失效问题。

2 原因分析

平键连接传递转矩时,主要失效形式是工作面被压溃,除非有严重过载,一般不会出现键剪断。由图1、图2失效情况可知,传动轴在启动瞬间,受到较大的冲击载荷,或者在传动过程中出现过载现象,造成键在轴键连接的受剪中心面发生压溃失效,进而导致传动轴键槽失效。

▲图1 传动轴失效

▲图2 键失效

3 改进方案

为解决过滤器传动系统中存在的轴键连接失效问题,从两方面提出改进方案。一方面将轴的材质由45号钢调整为40Cr,并经调质处理,以提高键的强度。另一方面为改善键在工作面的受力状况,增大键长或采用双键。

4 轴键连接配合设计

为减小传动过程中冲击载荷对轴键连接的影响,键与键槽的匹配应准确,接触均匀。通常键与轴上的键槽保持0.01～0.03 mm的过盈量,与轮孔槽保持0.03～0.05 mm的间隙。为避免应力集中现象,在键槽两侧与底部交接处以圆角光滑过渡,通常取圆角半径为1～3 mm。

分析键的失效形式,需要对作用在键上的力有较为清晰的了解。键在传动过程中受力较为复杂,键上的载荷沿长度分布不均,最大应力出现在键槽末端。键自身受力产生偏斜,轴产生扭曲变形,使键上载荷向端部集中。在忽略键与键槽摩擦的情况下,键的受力分析如图3所示。

▲图3 键受力分析

5 强度校核

根据实际工况,传动轴输入端传递的最大扭矩为739.565 N·m,此时键的有效长度l为32 mm。考虑到传动过程中载荷难以准确计算,以及计算方法的近似性,需要对键的强度保留必要的安全裕度。在静载荷下,塑性材料的安全因数为1.5～2.5。取安全因数为1.5,负载转矩为320 N·m。

键连接的抗挤压强度σp为:

(1)

k=0.5h

(2)

键连接的抗剪强度τ为:

(3)

式中:T为输出转矩;k为键的有效工作高度;h为键的高度,h=7 mm;b为键的宽度,b=8 mm;d为轴的直径,d=28 mm;[σp]为许用挤压应力;[τ]为许用抗剪强度。

采用改进方案,传动轴及键的材料分别为40Cr、45号钢,运行状况为静连接,查得许用挤压应力[σp]为125 MPa～150 MPa,取中间值137.5 MPa,静载荷时许用抗剪强度[τ]为120 MPa,此时键的实际长度为40 mm。

数据代入式(1),计算得σp=204.08 MPa>[σp]。

经理论计算得出键连接的挤压强度不足,对此考虑增大键的长度来提高键连接的承压能力。键长有一定限度,通常最大长度不大于1.6d～1.8d,因此实际最大键长为50 mm。数据代入式(1),计算得σp=155.49 MPa>[σp]。

增大键长后仍不能满足强度要求,考虑采用双键连接,再进行强度校核。考虑到两键载荷分布的不均匀性,在强度校核中只按1.5个键计算。对键长为40 mm的双键进行强度校核,数据代入式(1),计算得σp=136.05 MPa<[σp]。此时强度已接近许用挤压应力,仍不满足强度要求。

对键长为50 mm的双键进行强度校核,数据代入式(1),计算得σp=103.66 MPa<[σp]。此时满足强度要求。

通过理论计算可知,当选用50 mm的键长进行双键连接时,键连接的挤压强度满足要求。

验算键的抗剪强度,数据代入式(1),计算得τ=68 MPa<[τ]。此时满足抗剪强度要求。

6 有限元分析

对键长为50 mm的双键连接建立三维模型,进行有限元分析计算,进一步验证改进方案的可行性。

运用Pro/E三维建模软件,根据传动轴及键的实际尺寸,建立三维模型。将所建装配体保存为.stp格式文件,导入ANSYS Workbench静力学仿真分析软件进行网格划分。为得到较为精确的仿真结果,对传动轴采取单独的网格划分方式,设置网格类型为六面体单元,网格单元的长度设为2 mm。对键采用局部网格划分方法,进行网格细化,生成用于分析的轴键连接有限元模型,如图4所示。

对网格划分后的轴键连接有限元模型添加边界条件。根据实际工况,对左端两输出键施加力矩。右端两短键所在侧的输入端位于减速机壳体内,对该处施加圆柱支撑。

通过有限元分析,得到改进方案轴键连接的等效应力云图及变形云图,分别如图5、图6所示。

▲图4 轴键连接有限元模型

▲图5 改进方案轴键连接等效应力云图

▲图6 改进方案轴键连接变形云图

由图5、图6可以看出,改进方案轴键连接所受的最大应力为271.22 MPa,最大变形为0.052 685 mm。键的材料为45号钢,轴的材料为40Cr调质处理,调质洛氏硬度(HRC)为32～36。45号钢的屈服强度为355 MPa,40Cr的屈服强度为550 MPa～800 MPa,键的屈服强度相比轴较低,最大应力271.22 MPa小于355 MPa,即轴和键的最大工作应力均符合材料的许用强度要求。

7 结束语

笔者针对过滤器轴键连接失效问题,经过理论计算得出原轴键连接的强度不满足强度要求。通过改变轴的材质,增大键长,采用双键连接的方式,满足了强度要求。

传动轴键槽端部应力集中较明显,在保证轴键配合尺寸的前提下,传动轴键槽根部增加圆角过渡,减小应力集中,避免因产生疲劳裂纹而发生低应力失效。

通过有限元分析及实际应用,验证了改进方案的可行性。若采用双键仍不能满足强度要求,则可以采用花键连接,进一步提高轴键连接的强度。