程明輝等

摘要：針對某企業(yè)起動機轉(zhuǎn)子軸發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，通過傳統(tǒng)理論分析和SolidWorks中的Simulation有限元分析軟件的靜應(yīng)力分析，均發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸滿足使用要求，理論分析與軟件分析結(jié)果一致。通過實驗測得實際數(shù)據(jù)，最終提出斷裂是由于過載引起的。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子軸；理論分析；Simulation；過載

Abstract： Based on an enterprise starter rotor shaft fracture phenomenon， traditional theoretical analysis and Simulation of SolidWorks static stress analysis of finite element analysis software， have found that the rotor shaft meets the requirement ，software analysis results are in agreement with the theoretical analysis results. Through the experimental data， the actual final rupture is caused by overload

Keywords： rotor shaft ； theoretical analysis ； simulation； overload

引言

轉(zhuǎn)子軸是起動機的重要部件，如果發(fā)生斷裂不僅裝拆不方便，而且更換成本也較大。針對某企業(yè)起動機轉(zhuǎn)子軸在正常使用情況下突然發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，通過傳統(tǒng)理論分析和SolidWorks中的Simulation有限元分析軟件的靜應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸滿足正常的使用要求。通過實驗測得實際工作載荷，最終找到斷裂的原因。

1.失效分析

某企業(yè)轉(zhuǎn)子軸使用的材料為20CrMnTi，要求整體滲碳淬火：HRC48-55，轉(zhuǎn)子軸的額定壽命是20000轉(zhuǎn)，實際工作13000轉(zhuǎn)，斷裂時沒有達到使用壽命。實際斷裂如圖1，斷裂位置發(fā)生在花鍵軸過渡圓角處。初步判斷是過渡圓角應(yīng)力集中導(dǎo)致的。

如圖1轉(zhuǎn)子軸

1.1傳統(tǒng)理論分析

20CrMnTi材料熱處理后的最大的抗拉強度是1436Mpa，屈服強度是960Mpa。根據(jù)起動電機起動特性曲線，取最大扭矩T=3.4N/m2，轉(zhuǎn)速為1500r/min，對轉(zhuǎn)子軸進行理論計算，求出最大工況的應(yīng)力。經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)花鍵軸過渡圓角處是最大危險截面。

最大危險截面的應(yīng)力是Mpa，遠遠小于材料的屈服極限960Mpa，滿足正常的使用要求[1]-[3]。

1.2有限元軟件靜應(yīng)力分析

利用SolidWorks中的Simulation有限元分析軟件進行靜應(yīng)力分析。選擇材料為20CrMnTi，彈性模量為210Gpa，泊松比為0.27。對轉(zhuǎn)子軸進行適當?shù)暮喕?，約束轉(zhuǎn)子軸的支撐位置，并施加相應(yīng)的作用力和扭矩[4]，對轉(zhuǎn)子軸自動劃分網(wǎng)格，然后求解如圖2。轉(zhuǎn)子軸的最大應(yīng)力是114.24Mpa，應(yīng)力值明顯低于材料的屈服極限960Mpa，滿足正常的使用要求。

2.斷裂位置分析

通過理論分析和有限元分析軟件靜應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)花鍵軸過渡圓角部位應(yīng)力最大，容易發(fā)生斷裂。從實際斷裂位置可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子軸的應(yīng)力最大處與實際斷裂位置相吻合。實驗測得轉(zhuǎn)子軸工作時的負載是44.889KN，最大危險截面的應(yīng)力是1014.12Mpa，大于材料的屈服極限960Mpa?？梢缘贸鲛D(zhuǎn)子軸在過載情況下連續(xù)工作。

3.結(jié)束語

根據(jù)某企業(yè)轉(zhuǎn)子軸失效的具體實例，利用SolidWorks中的Simulation有限元分析軟件進行靜應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)和傳統(tǒng)的分析結(jié)果基本一致，為傳統(tǒng)的設(shè)計提供了參考依據(jù)。在設(shè)計轉(zhuǎn)子軸時，可以將傳統(tǒng)設(shè)計和SolidWorks軟件相結(jié)合，提高設(shè)計效率。在設(shè)計過程中要注意應(yīng)力集中的部位，避免在過載情況下運行，提高轉(zhuǎn)子軸的壽命。

參考文獻：

[1]濮良貴，彭文生.機械設(shè)計[M].八版.北京.高等教育出版社，2007.

[2]成大先.機械設(shè)計手冊[M].一版.北京?；瘜W(xué)工業(yè)出版社，2004（4-30）.

[3]謝里陽.機械設(shè)計手冊[M].四版.北京.機械工業(yè)出版社[M]，2006.

[4]逯艷艷，李永奎.基于SolidWorks軸類零件優(yōu)化設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2012.1.

作者簡介：程明輝（1987-），河南洛陽人，在讀研究生，主要方向：數(shù)字化設(shè)計。