斜齿轮轴疲劳寿命分析_关丽坤

2． 40 0． 25 0． 38 0． 19 0． 20
0 0． 60 0． 30
1 090． 107 10 － 479． 336 07
428． 021 65 － 339． 387 64
861． 764 18 0
－ 1 055．ห้องสมุดไป่ตู้798 22 1 055． 798 22
2． 2 疲劳结果分析
选取 单 轴 分 析 的 von Miss： -Goodman 算 法，应 用
图 3 斜齿轮轴力学模型图
部节点上施加全约束。
利用 ANSYS 后处理完成分析过程，显示其
等效应力云图如图 4 所示。从图 4 可以看出： 斜
齿轮轴所受最大应力为 431． 457 MPa，位于靠近
连电机一端加工螺纹的退刀槽和轴肩的过渡部
位，此部位尺寸跳跃比较大，有明显应力集中现
象。由此可知： 斜齿轮轴所受应力最大的危险部
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河南科技大学学报： 自然科学版
2013 年
1． 2 材料参数性能设定及划分网格
将简化后的 SolidWorks 斜齿轮轴模型另存为 Parasolid（ * ． x_t） 文件，ANSYS 可以自动识别和导入 Parasolid（ * ． x_t） 三维实体数据格式，从而实现 SolidWorks 和 ANSYS 的数据连接［4］。
图 2 斜齿轮轴三维模型
斜齿轮轴依靠 3 个双列圆锥滚子轴承支撑，引导它的旋转，并保证回转精度。一端通过键槽和电机
联轴器相连； 另一端和制动器相连，轴中间的斜齿轮和另一轴上的斜齿轮相啮合，传递运动和动力。轴
承端处的螺纹上拧有锁紧螺母，起到固定轴承内圈的作用。
基金项目： 内蒙古自治区自然科学基金项目（ 2012MS0717） 作者简介： 关丽坤（ 1963 － ） ，女，辽宁沈阳人，教授，硕士，硕士生导师，主要从事机械结构强度及仿真分析研究． 收稿日期： 2012 － 12 － 31
0． 731 233。从结构上看，此部位是轴肩的过渡部位，再加上螺纹退刀槽的原因，加大了尺寸的跳跃，应
力集中比较明显。特别是在电机启动和制动瞬间，应力幅值急剧增大，长时间周期性的作用下，在此应
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河南科技大学学报： 自然科学版
2013 年
力集中部位就会逐渐产生疲劳裂纹。起初的裂纹短小，一般以隧道形式向内缓慢扩展，扩展方式比较复 杂，有撕裂和切边等方式，扩展速率小而不稳定。当各段小裂纹逐渐连成一条较长的裂纹，而且稳定地 扩展到一定深度以后，由于剩余工作截面减小，应力逐渐增加，裂纹就加速扩展，当裂纹扩展到使界面上 的应力达到材料的强度极限时，便发生了最终的瞬时断裂。
斜齿轮轴材料为 20CrNiMo 合金钢，弹性模量为 208 GPa，泊松比为 0． 295，材料的强度极限为 980
MPa，屈服极限为 785 MPa。
选用单元类型为 8 节点的 Solid45 单元。斜齿轮及加载的键槽处受应力比较大，这两段单元边长设
置为 0． 007，其余受应力较小的部位单元边长设置为 0． 01。经过网格划分，得到单元 151 036 个，节点
9 550 × y n2
，
式中，T 为斜齿轮轴受到的扭矩载荷； p 为总减速比； n1 为
电机个数； n2 为电机转速。最后可得到 T 和倾动力矩的
关系为：
T = 0． 000 376x。
在一个炼钢周期里，电机实际工作时间非常短，针对
图 5 转炉的周期性倾动力矩曲线
电机在一个炼钢周期内的实际工作时间，计算得到各种工况下斜齿轮轴所受到的扭矩载荷如表 1 所示，
第5 期
关丽坤等： 斜齿轮轴疲劳寿命分析
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绘制出在一个工作周期内不同工作状态下、不同倾角时炉体和炉液的实体模型，并利用该软件的“质量 特性”功能确定其重量和重心，进而计算出不同倾角时转炉的倾动力矩［8 － 10］。至此，可绘制出转炉倾动
力矩曲线。为计算方便，并考虑到安全，需简化倾动力矩曲线。当转炉出钢、取样、倒渣、加废钢及兑铁
Miner 线性 累 积 损 伤 准 则 计 算 节 点 的 疲 劳 寿 命，经 过
ANSYS 后处理得到的斜齿轮轴的对数疲劳寿命云图、疲
劳安全因数云图，如图 7、图 8 所示。
由图 7 可知： 齿轮轴最容易发生疲劳破坏的位置出
现在靠近电机一端加工螺纹的退刀槽和轴肩的过渡部
位，并呈对称分布，与实际断裂部位一致，最短疲劳寿命 N = 10n，n 为斜齿轮轴对数疲劳寿命云图中的最小值，
3 结论
图 7 对数疲劳寿命云图
图 8 疲劳安全因数云图
本文采用 ANSYS 软件对某钢厂 210 t 氧气顶吹转炉倾动机构一级减速机高速斜齿轮轴进行静强度 分析，并以分布图的形式显示其在静载荷作用下的应力分布状况，得到其所受应力最大的危险部位和实 际断裂部位一致，并根据疲劳的相关概念断定减速机斜齿轮轴的断裂原因是疲劳断裂。采用 ANSYS / FE-SAFE 软件对其进行疲劳寿命分析，得到具体的疲劳寿命和疲劳安全因数。此分析结果为进一步的 结构优化提供了一定的参考。
位和实际断裂部位一致，且最大应力值小于其许
用应力：
［σ］ = σs / ns = 604 MPa， 式中，σs 为屈服极限，785 MPa； ns 为安全因数， 1. 3。
图 4 斜齿轮轴等效应力云图 （ 单位： MPa）
根据疲劳累计损伤理论和疲劳破坏的概念： 零部件在名义应力低于材料强度极限，甚至低于屈服极
置和实际断裂位置一致，验证了分析的正确性，此分析为进一步结构优化提供了一定的参考。
关键词： 倾动机构； 减速机； 斜齿轮轴； 疲劳寿命； 结构优化
中图分类号： TH133． 2
文献标志码： A
0 引言
氧气顶吹转炉倾动机构是用以转动炉体，以完成转炉兑铁水、出钢、加料、修炉等一系列工艺操作， 是实现转炉炼钢生产的关键设备之一［1］。某钢厂 210 t 氧气顶吹转炉倾动机构一级减速机高速斜齿轮 轴出现断裂，断裂实物图如图 1 所示，由断裂的实物图并根据金属疲劳的破坏机理可以初步断定为疲劳 破坏［2］。本文应用 ANSYS 软件对其进行静强度分析，结合疲劳累计损伤理论法则和疲劳破坏的概念来 查找断裂原因，并用专门的疲劳软件 FE-SAFE 完成疲劳分析，为进一步的结构优化提供参考。
No． 5
CONTENTS AND ABSTRACTS
· Ⅲ·
potential shifts negatively with the increase of As3 + ion concentration． The oxidation and reduction peaks
appear near the potential of － 0. 01 V and － 0. 18 V，respectively in the anodic and cathode process of As5 +
水时，启、制动频繁，动负荷大，因此，将这些工况中最大倾动力矩值作为该工况下承受的力矩值，而其他
工况均取其平均值作为外载力矩。运用 Origin 软件绘制出转炉的倾动力矩曲线，如图 5 所示。
设转炉倾动力矩为 x N·m 时，电机的功率为 y kW，
则由：
x
=
9 550
× y × n1 n2
×p
；
T
=
29 915 个。
1． 3 载荷及边界条件确定
将斜齿轮轴力学模型简化成连续梁结构，如图 3
所示。采用简化的载荷施加方法。斜齿轮轴的动力
输入端和电机联轴器相连接，此处有一扭矩，转化为
键槽侧面的法向均布力，斜齿轮为动力输出端，所受 的力简化为齿面法向均布力［5］。因为是静强度分析，
可认为斜齿轮轴瞬间是固定不动的，所以在轴承处全
绘制出载荷时间历程曲线如图 6 所示。
表 1 各种工况下斜齿轮轴扭矩载荷
序号
操作项目
总时间 / min
电机工作时间 / min
斜齿轮轴力矩 /（ N·m）
1 打出钢口、出钢、倒渣 2 辅助操作 3 堵出钢口 4 加废钢、渣料、兑铁水 5 返回待吹炼 6 吹炼 7 取样、测温 8 返回
10． 0 2． 0 1． 0 5． 0 0． 2 16． 0 2． 5 0． 3
5． 377。代入具体数值后得到最短循环寿命为238 231。
电机转速为 500 r / min，相当于 500 个循环周期，所以，在
图 6 斜齿轮轴载荷时间历程曲线
工作时间累积到 238 231 /500 = 476 min 之前就要检测斜齿轮轴的安全状况。
从图 8 可以看出： 疲劳安全因数比较低的位置和实际疲劳破坏的部位一致，疲劳安全因数最小值为
604 MPa，所以制动状态下斜齿轮轴不会发生疲劳破坏。计算得到电机工作状态下斜齿轮轴的疲劳寿
命就是最后要计算的疲劳寿命。
2 ANSYS / FE-SAFE 疲劳寿命计算
提取 ANSYS 分析结果，即 RST 文件，导入到 FE-SAFE 软件进行疲劳寿命计算。此外，FE-SAFE 进 行疲劳分析需要其余两方面的输入［6 － 7］，材料的疲劳性能参数和载荷时间历程曲线。
斜齿轮轴疲劳寿命分析
关丽坤，王宁宁
（ 内蒙古科技大学 机械工程学院，内蒙古 包头 014010）
摘要： 针对某钢厂 210 t 氧气顶吹转炉倾动机构减速机高速斜齿轮轴出现疲劳断裂的问题，采用 ANSYS / FE-
SAFE 疲劳软件对斜齿轮轴进行疲劳寿命分析，得到斜齿轮轴疲劳寿命和疲劳安全因数，确定疲劳寿命最短位
FE-SAFE 备有各种常用材料的疲劳特性数据库，并具有疲劳数据的估算功能，本文采用 ANSYS / FE-SAFE 提供的 Seeger’材料数据估算法。输入强度极限和弹性模量后即可得到 20CrNiMo 的疲劳性 能曲线。 2． 1 绘制载荷时间历程曲线