ANSYS软件仿真在卷烟转弯输送机锥形轴失效分析中的应用

摘 要本文作者依据多年工作经验，对ANSYS软件仿真卷烟转弯输送机锥形轴失效分析的应用，以便和同行切磋与交流。

【关键词】ANSYS软件仿真 卷烟转弯 优化方案

1 锥形轴结构

转弯输送机构是香烟输送机转弯位置处常用机构，整个机构包括三相异步减速电机、轴承及轴承座、锥形轴及其相关连接件，转弯皮带，其中当属锥形轴结构相对复杂，易损坏，且损坏后更换难度大成本高，为此本文对锥形轴的失效原因进行了分析，并且给出优化方案。

现有锥形轴结构如图1所示。该锥形轴为阶梯轴形式，同时将与输送皮带的接触面位置设计为锥形，这样做的目的是为了保证皮带转弯过程中转角内外侧张紧力一致，转弯角速度相同，线速度不同，达到转弯的效果。锥形轴选用45钢制成，完成后进行调制处理，增加硬度，最后再经氧化处理，防腐防锈。

2 ANSYS软件仿真

目前，锥形轴在使用过程中主要会出现以下两方面损坏问题：

（1）在频繁启停的工况下，锥形轴阶梯位置处易产生变形及细微裂纹，且变形及裂纹随工作时间增加逐步加大，直至使锥形轴失效。

（2）锥形轴与轴承接触位置由初始过盈配合逐渐转化为间隙配合，锥形轴旋转过程中产生跳动，输送带产生振动，且振动逐渐加大，直至失效。

针对上述失效现象，本文将从结构设计与热处理工艺方面给出原因分析，并提出解决方案。

ANSYS软件是一款融合了结构、流体、电场、磁场分析于一体的大型通用有限元软件，是现代产品设计、结构分析的重要工具。针对阶梯轴位置处的变形及细微裂纹的产生，本文将采用ANSYS软件进行仿真分析，从而获得可靠的数据。

锥形轴结构整体而言相对比较简单，因此可以直接在ANSYS中创建模型，且由于分析的重点是阶梯位置处，因此锥形形状对分析结果的影响较小，可以忽略不计，因此，为了简化建模，本文将锥形结构简化为圆柱形结构，创建有限元模型；完成建模后，赋予其单元属性及材料属性，划分网格，加载及求解，最终获得的求解结果如图2所示。

图2中的锥形轴最大应力值为57.8MPa，发生在第一阶梯处。

为了验证分析结果的可靠性，本文还将利用解析法求出实心圆柱体的抗扭强度，计算公式如下

τb=3Mb/4Wp（1-1）

其中Mb是扭转力矩，Wp是扭转时试样截面的极断面系数； 根据锥形轴实际尺寸参数，由上述公式（1-1）可计算出左侧第一个阶梯处剪切应力为τb1=56.5MPa；第二个阶梯处的剪切应力为τb1=35.7MPa；第三和第四个阶梯处在工作时基本不受剪切应力作用，因此本文不做计算。由计算结果可知，第一阶梯处的剪切应力与ANSYS仿真结果基本一致，可做相互印证。查询机械设计手册可知，45号钢的许用切应力[τ]=60MPa，尽管从计算结果来说基本能够满足使用要求，但是考虑到锥形轴长期处于启停的工作状态，因此极易出现疲劳应力，而为了保证结构的可靠性，一般会给定一个安全系数nf，一般情况下nf≥2，因此实际的许用切应力应低于30MPa，锥形轴在工作过程中的实际应力值已经超过了50MPa，因此工作过程中极易出现损坏。

除阶梯处变形断裂的问题外，在与轴承接触的位置，工作一段时间后，原始的过盈配合会逐渐转变为间隙配合，从而无法平稳转动，产生振动现象。通过对现场问题分析，发现问题主要出在锥形轴上与轴承接触位置，该位置处经过一段时间的工作，实际值比初始设计值有明显减小，这就说明该位置在工作过程中产生了磨损；回头来查看设计图纸，发现整个阶梯轴只做了调制处理，对于与轴承接触的位置并没有再做其他处理，这便是导致此处磨损的主要原因。

针对上述锥形轴出现的问题，根据分析原因，本文制定了如下优化方案：

（1）阶梯位置处倒圆角，降低应力集中。

（2）对锥形轴上与轴承内圈接触的位置进行二次处理，进一步提高其硬度，从而减少磨损，如进行喷完、渗碳或者渗氮处理。

（3）改变锥形轴结构，将原有的整体式锥形轴制作成分体组装式锥形轴。本文将给出改进后的分体组装式锥形轴结构设计方案。

由图1可知，原始的锥形轴为一整体式，该结构中的阶梯处如果出现变形或者磨损现象，则整个锥形轴全部作废，为了减少这种不必要的浪费，本文提出了一种分体组装式锥形轴的设计方案，能够减少材料浪费，降低加工成本。分体组装式锥形轴的设计方案见图3所示。

由图3可知，该分体组装装配式锥形轴整体分为三大部分，即左侧输入轴部分，中间锥形部分，右侧支撑部分，根据实际情况右侧磨损较严重，因此可以将整体硬度设计高一些，左侧受交变载荷，因此在选材及热处理时应充分考虑。另外该结构最大的优点在于整个锥形轴结构是组装而成，平时可以根据实际情况多预备一些易损件，当结构出现损坏时只将其中易损部分更换。

参考文献

[1]陈培媛，战悦晖，宋伟刚.平面转弯带式输送机的结构设计[J].煤矿机械，2005（04）.

[2]滕启，项忠霞.锥形轴联结设计计算的研究[J].机械设计与制造，2002（02）.

[3]王东亮.汽车动力传动系扭转振动特性分析和抗扭设计研究[D].西南交通大学，2014.

作者简介

王晨雨（1988-），男，湖北省宜昌市人。学士学位。现为湖北省烟草公司宜昌市卷烟物流中心设备管理员。主要研究方向为设备维护管理、优化设计。

作者单位

湖北省烟草公司宜昌市卷烟物流中心 湖北省宜昌市 443099