CN110287598B - 一种胀紧联结套承载能力的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机械传动连接技术领域，具体涉及一种胀紧联结套承载能力的设计方法。本发明主要是解决现有胀套设计方法存在的效率低、耗时高、成本高和推出一款合理胀套需要的周期比较长的技术问题。本发明采用的技术方案是：一种胀紧联结套承载能力的设计方法，其具体设计步骤为：1)根据胀套的内环尺寸、外环尺寸、锥套尺寸及主轴尺寸建立几何模型，将该模型导入有限元分析软件，并设定胀套及主轴的弹性模量和泊松比；2)设置有限元模拟的分析步；3)设置接触面相互作用属性并建立参考点；4)确定主轴的扭矩及胀套和主轴的边界条件；5)划分网格；6)建立对比模型；7)对胀套的承载能力分析，进而判断胀套的承载能力。

Description

一种胀紧联结套承载能力的设计方法
技术领域
本发明属于机械传动连接技术领域，具体涉及一种胀紧联结套承载能力的设计方法。
背景技术
胀紧联结套(简称胀套)是一种先进的关键基础传动件，由于其结构简单、对中性好、拆装便利以及过载保护等优点被广泛应用于冶金轧钢等多个领域。胀套的工作原理为利用斜锥面将螺栓的轴向预紧力转换为纵向压力并传递至主轴，主轴在压力的作用下产生传递转矩的摩擦力。传统的胀套设计方法通常是以理论计算为基础，通过一系列试验验证胀套的承载能力等指标，传统方法无法通过模拟分析胀套的承载能力，使胀套的设计效率低下，耗时高，成本高，推出一款合理胀套需要的周期比较长。
发明内容
本发明的目的是解决现有胀套设计方法存在的效率低、耗时高、成本高和推出一款合理胀套需要的周期比较长的技术问题，提供一种胀紧联结套承载能力的设计方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种胀紧联结套承载能力的设计方法，其具体设计步骤为：
1)根据胀套的内环尺寸、外环尺寸、锥套尺寸及主轴尺寸建立几何模型，将该模型导入有限元分析软件，并设定胀套及主轴的弹性模量和泊松比；
2)设置有限元模拟的分析步：创建两个分析步，两个分析步分别为模拟胀套的装配和工作过程；
3)设置接触面相互作用属性并建立参考点：在主轴的侧面中心点处创建参考点，将参考点与其所在的主轴侧面建立耦合的约束；
4)确定主轴的扭矩及胀套和主轴的边界条件；
5)划分网格：将胀套各构件和主轴划分为六面体网格并创建作业；
6)建立对比模型：以参考点耦合的主轴侧面的圆周为路径，提取主轴旋转角度的数据并求取平均值；以扭矩为变量采用控制变量法，建立多组有限元模型，重复1)～5)步骤，得到多组扭矩-角度数据点；
7)对胀套的承载能力分析：将主轴旋转角度设为x轴，扭矩设定为y轴，生成散点图并利用非线性拟合函数Boltzmann函数进行数据拟合，得到完整的角度-扭矩曲线，导出拟合曲线的函数f(x)并利用MATLAB对该函数进行求导，当导函数f′(x)为0时，说明主轴完全打滑，胀紧联结套失效；解方程f′(x)＝0，得到极限扭矩下的旋转角x0，带入原函数求得到胀套的极限扭矩，进而判断胀套的承载能力。
进一步地，所述两个分析步为分析步step1和分析步step2，所述分析步step1为实现胀套的装配过程，所述分析步step2为实现胀套的工作过程。
进一步地，所述六面体网格单元为边长4-20mm。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的胀紧联结套承载能力的设计方法有效填补了胀套在模拟层面对其承载能力的判定方法等方面的技术空白；(2)本发明丰富了胀套设计体系，规范胀套行业的设计标准，使胀套的设计更具科学性、完整性；(3)本发明大大缩减胀套的设计周期，降低胀套的设计成本，减少设计期间胀套的耗材，为企业提供合理的胀套承载性能模拟方法，帮助企业设计更精确合理的产品，加速胀套行业的发展。
附图说明
图1是本发明所述的双锥型胀紧联结套的结构示意图；
图2是本发明施加扭矩的位置示意图；
图3是本发明网格划分的3/4模型图；
图4是本发明模型旋转位移云图；
图5是本发明实施例的主轴旋转位移曲线图(T＝650KN·m)；
图6是本发明实施例的角度—扭矩图；
图中：1—主轴，2—内环，3—左锥套、4—右锥套，5—外环，6—螺栓。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本实施例中的双锥型胀紧联结套，由内环2、左锥套3、右锥套4、外环5和高强度螺栓6组成。该胀紧联结套承载能力的设计方法，其具体设计步骤为：
1)根据胀套的内环尺寸、外环尺寸、锥套尺寸及主轴尺寸建立几何模型，将该模型导入有限元分析软件，并设定胀套及主轴的弹性模量和泊松比；
2)设置有限元模拟的分析步：创建两个分析步，两个分析步分别为模拟胀套的装配和工作过程；
3)设置接触面相互作用属性并建立参考点：在主轴的侧面中心点处创建参考点，将参考点与其所在的主轴侧面建立耦合的约束；
4)确定主轴的扭矩及胀套和主轴的边界条件；
5)划分网格：将胀套各构件和主轴划分为六面体网格；
6)建立对比模型：以参考点耦合的主轴侧面的圆周为路径，提取主轴旋转角度的数据并求取平均值；以扭矩为变量采用控制变量法，建立多组有限元模型，重复1)～5)步骤，得到多组扭矩-角度数据点，绘制主轴旋转位移曲线图；
7)对胀套的承载能力分析：将主轴旋转角度设为x轴，扭矩设定为y轴，生成散点图并利用非线性拟合函数Boltzmann函数进行数据拟合，得到完整的角度-扭矩曲线，导出拟合曲线的函数f(x)并利用MATLAB对该函数进行求导，当导函数f′(x)为0时，说明主轴完全打滑，胀紧联结套失效；解方程f′(x)＝0，得到极限扭矩下的旋转角x0，带入原函数求得到胀套的极限扭矩，进而判断胀套的承载能力。
所述两个分析步为分析步step1和分析步step2，所述分析步step1为实现胀套的装配过程，所述分析步step2为实现胀套的工作过程。
所述六面体网格单元为边长4-20mm。
下面通过一个具体应用实例进一步对本发明进行描述。
本实例是采用双锥型某型号的胀套，具体参数为：主轴1直径d＝224mm，内环2外圈的平均直径D1＝230mm，外环5外径D＝310mm，左锥套3、右锥套4的斜锥角α＝7°，主轴1与内环2公差带H7/g6；胀套的弹性模量为210GPa，主轴1的弹性模量为180GPa，泊松比均为0.3；主轴1与内环2的接触长度L＝517mm，内环2与外环5接触面的摩擦系数μ＝0.1，内环2与主轴1接触面的摩擦系数μ＝0.08。
具体设计步骤为：
1、根据双锥胀套的设计尺寸建立三维模型，将该模型导入有限元分析软件，设置胀套和主轴的弹性模量及泊松比并进行装配；
2、设置有限元模拟的分析步：(1)创建分析步：创建两个分析步step1、step2并打开“几何非线性”，分析步step1为实现胀套的装配过程，分析步step2为实现胀套的工作过程；
3、创建相互作用并建立参考点：在主轴1的侧面中心点处创建参考点RP-1，如图2所示，将参考点RP-1与其所在的主轴1侧面建立耦合的约束；
4、设置边界条件并施加力矩载荷：各构件的边界条件设定如表1所示，表中U1、U2、U3代表沿x轴、y轴、z轴移动，UR1、UR2、UR3代表绕x轴、y轴、z轴旋转；扭矩施加在参考点RP-1上，根据理论计算结果将扭矩大小初步设定为500KN·m；
5、划分网格；对胀套各构件以及主轴1划分网格，选用六面体网格，网格的单元类型选择C3D8R，胀套内环2和外环5的网格尺寸为6mm，主轴1和左锥套3、右锥套4的网格尺寸为4mm，网格总量为57705；图3所示为本发明实施例的划分网格的3/4模型图；
表1各构件的边界条件
Figure BDA0002107585250000041
注：‘√’代表施加约束
6、建立对比模型：以参考点耦合的主轴侧面的圆周为路径，提取主轴旋转角度的数据并求取平均值，图4为主轴1的旋转位移云图；以扭矩为变量采用控制变量法，建立多组有限元模型，重复上述步骤1～步骤5，得到多组扭矩-角度数据点，绘制主轴旋转位移曲线图，图5为主轴1的旋转位移数值并绘制沿路径真实距离—角度曲线；
7、根据第6步的结果，采用控制变量法分别设置扭矩为200、300、400、550、600、650、670(单位KN·m)，其它条件不变，建立多组模型，继续分析提取结果，根据提取的角度利用Origin绘制角度—扭矩散点图，然后利用非线性拟合函数Boltzmann函数进行数据拟合，得到角度—扭矩曲线，如图6所示。拟合函数为
Figure BDA0002107585250000051
利用MATLAB对该函数进行求导并令导函数为0，此时得到旋转位移x≈0.05234°，将x≈0.05234°带入原函数进行计算得胀套的极限扭矩为677.6276KN·m。

Claims (3)

1.一种胀紧联结套承载能力的设计方法，其特征在于，具体设计步骤为：
1)根据胀套的内环尺寸、外环尺寸、锥套尺寸及主轴尺寸建立几何模型，将该模型导入有限元分析软件，并设定胀套及主轴的弹性模量和泊松比；
2)设置有限元模拟的分析步：创建两个分析步，两个分析步分别为模拟胀套的装配和工作过程；
3)设置接触面相互作用属性并建立参考点：在主轴的侧面中心点处创建参考点，将参考点与其所在的主轴侧面建立耦合的约束；
4)确定主轴的扭矩及胀套和主轴的边界条件；
5)划分网格：将胀套各构件和主轴划分为六面体网格并创建作业；
6)建立对比模型：以参考点耦合的主轴侧面的圆周为路径，提取主轴旋转角度的数据并求取平均值；以扭矩为变量采用控制变量法，建立多组有限元模型，重复1)～5)步骤，得到多组扭矩-角度数据点，绘制主轴旋转位移曲线图；
7)对胀套的承载能力分析：将主轴旋转角度设为x轴，扭矩设定为y轴，生成散点图并利用非线性拟合函数Boltzmann函数进行数据拟合，得到完整的角度-扭矩曲线，导出拟合曲线的函数f(x)并利用MATLAB对该函数进行求导，当导函数f′(x)为0时，说明主轴完全打滑，胀紧联结套失效；解方程f′(x)＝0，得到极限扭矩下的旋转角x0，带入原函数求得到胀套的极限扭矩，进而判断胀套的承载能力。
2.根据权利要求1所述的一种胀紧联结套承载能力的设计方法，其特征在于，所述两个分析步为分析步step1和分析步step2，所述分析步step1为实现胀套的装配过程，所述分析步step2为实现胀套的工作过程。
3.根据权利要求1所述的一种胀紧联结套承载能力的设计方法，其特征在于，所述六面体网格单元为边长4-20mm。
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