主軸系統(tǒng)仿真分析及優(yōu)化設(shè)計

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1、H03水平定向鉆機主軸系統(tǒng)仿真分析報告編制：2014年02月26日1、分析目的：系統(tǒng)由主軸、浮動主軸、變徑軸、短節(jié)組成，在工作時承受回轉(zhuǎn)力矩40000N*M、以及回拖力900KN，在動態(tài)工況下為拉扭復(fù)合載荷，同時還有來自整機的隨機振動。因此，需要分析系統(tǒng)在拉扭預(yù)定載荷條件下的力學(xué)分析和模態(tài)分析，研究系統(tǒng)的變形、應(yīng)力、應(yīng)變、安全系數(shù)、固有頻率等規(guī)律，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。2、分析方法：按照系統(tǒng)的工程圖，在ansys12.0的workbench界面中建立系統(tǒng)的三維模型。同時對主軸、浮動主軸、變徑軸、短節(jié)單獨畫分網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為60萬個。約束方式為：

2、浮動軸左端固定，右端施加900000N回拖力；主軸軸承位固定約束，同時在花鍵側(cè)面施加330000N等效回轉(zhuǎn)力。分別求解系統(tǒng)的力學(xué)分析和模態(tài)分析。后處理：利用云圖顯示系統(tǒng)的總變形、總應(yīng)變、總應(yīng)力分布、安全系數(shù)分布、和固有頻率及各階振型。3、參數(shù)設(shè)置：主要分析系統(tǒng)在不同材料下的仿真對比（45#、40Cr、20CrMnTi），其中：45#的彈性模量為216GP，泊松比為0.28；40Cr的彈性模量為206GP，泊松比為0.3；20CrMnTi彈性模量為207GP，泊松比為0.25。4、具體分析過程如下：（1）、45號鋼分析結(jié)果：圖1變形云圖圖2應(yīng)變云圖圖3應(yīng)

3、力云圖圖4安全系數(shù)云圖提示：A、從圖1可以看出系統(tǒng)在拉扭復(fù)合載荷作用下最大的變形位于短節(jié)端部，約為0.47mm.B、從圖2可以看出系統(tǒng)在拉扭復(fù)合載荷作用下危險截面位于短節(jié)端部和主軸矩形花鍵部位。C、從圖3可以看出系統(tǒng)在拉扭復(fù)合載荷作用下危險截面應(yīng)力約為300MP。D、從圖4可以看出系統(tǒng)在拉扭復(fù)合載荷作用下，最小的安全系數(shù)是1.0，短節(jié)端部和主軸矩形花鍵部在設(shè)計時需要重點考慮?。?）、40Cr分析結(jié)果：圖1變形云圖圖2應(yīng)變云圖圖3應(yīng)力云圖圖4安全系數(shù)云圖提示：A、從圖1可以看出系統(tǒng)在拉扭復(fù)合載荷作用下最大的變形位于短節(jié)端部，約為0.45mm.B、從圖2可

4、以看出系統(tǒng)在拉扭復(fù)合載荷作用下危險截面位于短節(jié)端部和主軸矩形花鍵部位。C、從圖3可以看出系統(tǒng)在拉扭復(fù)合載荷作用下危險截面應(yīng)力約為276MP。D、從圖4可以看出系統(tǒng)在拉扭復(fù)合載荷作用下，最小的安全系數(shù)是1.0，短節(jié)端部和主軸矩形花鍵部在設(shè)計時需要重點考慮！（3）、20CrMnTi分析結(jié)果：圖1變形云圖圖2應(yīng)變云圖圖3應(yīng)力云圖圖4安全系數(shù)云圖提示：A、從圖1可以看出系統(tǒng)在拉扭復(fù)合載荷作用下最大的變形位于短節(jié)端部，約為0.49mm.B從圖2可以看出系統(tǒng)在拉扭復(fù)合載荷作用下危險截面位于短節(jié)端部和主軸矩形花鍵部位。C、從圖3可以看出系統(tǒng)在拉扭復(fù)合載荷作用下危險截

5、面應(yīng)力約為226MP。D、從圖4可以看出系統(tǒng)在拉扭復(fù)合載荷作用下，最小的安全系數(shù)是1.0，短節(jié)端部和主軸矩形花鍵部在設(shè)計時需要重點考慮?。?）、20CrMnTi（主軸、浮動軸），40Cr（變徑軸、短節(jié)）分析結(jié)果：圖1安全系數(shù)云圖圖2模態(tài)分析云圖提示：A、從圖1可以看出系統(tǒng)在拉扭復(fù)合載荷作用下，最小的安全系數(shù)是1.0，短節(jié)端部和主軸矩形花鍵部在設(shè)計時需要重點考慮！B、從圖2可以看出系統(tǒng)在拉扭復(fù)合載荷預(yù)定作用下，一階固有頻率為120HZ，已經(jīng)避開發(fā)動機的固有頻率（100HZ以內(nèi)），系統(tǒng)在工作時不會和發(fā)動機發(fā)生共震。1、分析結(jié)論如下：（1）系統(tǒng)在工作時不會與

6、發(fā)動機共振。（2）隨著系統(tǒng)材料45#適宜性最差，其次是40Cr,最好的是20CrMnTi。具體表現(xiàn)在：隨著材料的能性提高，系統(tǒng)的應(yīng)力分布和安全系數(shù)均有所增加。（3）系統(tǒng)的最危險部位處于短節(jié)的端部。其次，是主軸鍵根部和浮動主軸花鍵根部。這兩個部位即便是采用性能最好的20CrMnTi，安全系數(shù)仍然不高?。?）建議：變徑軸采用40Cr,整體調(diào)質(zhì)處理HB340-361，保證機械性能11.9級，表面滲碳淬火HRC50-52深度1.0-1.2，保證表面有足夠的耐磨性?。?）建議：主軸和浮動主軸采用20CrMnTi,粗車后調(diào)質(zhì)處理HB320-340，保證機械性能11

7、.9級，表面滲碳淬火HRC48-52深度1.0-1.2，保證齒面有足夠的耐磨性！（6）為了防止由于粗糙度、尖角等因素導(dǎo)致熱處理過程中的應(yīng)力集中、產(chǎn)生裂紋，應(yīng)該在設(shè)計時提高表面精度。（7）此外，在原材料采購時應(yīng)抽查化學(xué)成分分析，在熱處理時應(yīng)該要求準(zhǔn)備隨爐試樣，按照國標(biāo)做機械性能試驗！同時，檢驗其硬度。（8）為了防止因為熱處理過程中產(chǎn)生肉眼無法辨別的裂紋，導(dǎo)致系統(tǒng)在工作時斷裂，應(yīng)該對其進行探傷處理。