涡旋弹簧疲劳寿命分析

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1、万方数据<机械设计与制造》Aug．2004N0．4MachineryDesign＆M¨ufacture一77一文章编号：100l一3997(2004)04一0077—02涡旋弹簧疲劳寿命分析傅吉龙王世杰(沈阳工业大学机械工程学院，沈阳110023>广””?“+_-“”“”””””””“”””””””“””“””””“”””””“”””“”””毒；【摘要】涡旋弹簧可以应用于频繁换向的旋转机械中用以减缓速度突变，进而起到减轻冲击，节能降：!耗的作用。这里利用三维设计软件uniGraphics建立了涡旋弹簧的实体模型，运用有限元分析软件AN．；isY

2、s对涡旋弹簧进行应力一应变分析，根据分析结果计算涡旋弹簧疲劳寿命。一方面验证了传统的涡旋i{弹簧设计理论，另一方面为进一步的优化设计提供了理论依据。i；关键词：涡旋弹簧；缓冲器；疲劳寿命；有限元分析li耷÷十+十++÷十++++十十+十十+十+十十十十÷÷十++十+十+十十++十十十+十十++十+十十+十+÷十十+十++丰++十+十+十++十十++++十+++十十++十十十十十+十÷≯中图分类号：THl35文献标识码：B以摩擦换向抽油机为典型示例的频繁换向升降机械在“正转一停车一反转”的变换时刻，加速度较大，加之较大的载荷，系统内部将产生很大的

3、冲击，使得系统的功率需求波动幅度较大，动力源一直工作在不稳定状态下。选择功率小，则导致经常性过载；反之，则又导致动力浪费。系统中的各个机械零部件如抽油杆、减速器轴上的针轮轴承、钢丝绳等寿命也都受到冲击影响。在动力轴和承载构件之间加缓冲器是解决这一问题的很好办法。基于这一构思，我们在摩擦换向抽油机系统的减速器输出轴与摩擦轮之间加涡旋弹簧做缓冲器，经过理论分析与实践检验，有效地减缓了速度突变，减轻了系统在正反转换向瞬间受到的冲击，提高了系统寿命的同时，节能效果十分明显。作为缓冲器主要组成部件之一的涡旋弹簧。其性能好坏直接影响缓冲器的缓冲效果，进而影

4、响整个升降机的使用寿命。为确保涡旋弹簧的可靠性，有必要对涡旋弹簧进行强度分析。1涡旋弹簧的设计要求与几何参数的确定在此，我们以Xw—10—59型摩擦换向抽油机为例，如图l所示。其最大悬点负荷为80kN，最大冲次为5次／min，最大冲程为5m，缓冲器的最大输出扭矩为lOl0．6lN·m(供参考)。初选图l摩擦换向抽油机结构图1．配电柜；2．减速器；3．、电动机；4．摩擦换向机构；5．抽油杆；6配重涡旋弹簧的主要几何参数确定如下【l】：弹簧厚度．

5、l=2．0mm；弹簧宽度6=600唧；内端曲率半径，=30．0mm；条盒内半径尺=345．6mm；弹簧

6、工作长度厶=10348．2mm。2几何建模与数据转换2．1UG建模根据涡旋弹簧几何参数，运用三维建模软件uG中的‰★来稿日期：2003一12—0lcum(规律曲线)命令f2】，建立阿基米德螺旋线，再通过sweepa．IongGuide(扫掠向导)命令，建立涡旋弹簧几何模型(图2)。2．2数据转换数据转换接口，实际上是实现两个以上系统间信息交换的程图2涡旋弹簧实体模型序或方法。其核心内容就是有其中一个系统(文件)读出信息，将信息写入另一个系统(文件)。在此，我们将由CAD获得的模型数据直接用标准的数据接口转入cAE分析系统。通过uG转换工具中的I

7、GEs转换器，将涡旋弹簧模型Pn数据文件转换为标准的IGES数据文件，再利用ANsYs内置的IGEs转换过滤器，将涡旋弹簧的三维实体模型读入到ANsYs中并保存为自己的db数据文件，从而实现在没有专门ANSYS与uG专门转换模块情况下的数据转换。从uG中转换过来的CAD模型，在ANSYs系统中，如果发生合并时间过长、输入过程使用太多内存、图元增加或丢失等问题，可通过拓扑和几何修整程序做几何拓扑结构修改。保持几何模型的完备性对后续的网格划分有重要影响。3涡旋弹簧有限元分析3．1网格化分对涡旋弹簧进行有限元分析前，有关物理参数确定如下：材料为T8A

8、；弹性模量E=205800MPa；泊松比p=O．3；载荷，=3368．7N。该模型采用8节点的六面体实体单元souD45划分网格。单元尺寸为0．8。该单元可退化为四面体单元以图3涡旋弹簧第一部分实体模型保证更准确地拟合零件外形，并且能够满足大变形的要求。为简化计算过程，节省时间，根据计算机内存量和计算速度将所建立的涡旋弹簧几何模型等分为几段，分别进行有限元分析计算。由分析结果得知，最大应力一应变发生在模型的第一部分，其实体模型如图3所示。万方数据一砧一《机械设计与制造》Aug．2004No．4J‰chine叮Design＆M8nu＆"tum模型

9、划分网格后，共计288947个单元，99174个节点。网格划分后的模型见图4。图4网格划分后的有限元模型3．2应力结果分析后处理也就是查看分析结果。通