劍桿織機(jī)電磁離合器與制動(dòng)器彈簧片的有限元計(jì)算與設(shè)計(jì).docx

劍桿織機(jī)電磁離合器與制動(dòng)器彈簧片的有限元計(jì)算與設(shè)計(jì)黃大宇王曉璐(中原工學(xué)院 450007)摘要根據(jù)波形彈簧片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與受力情況 ,建立了波形彈簧片的受力的數(shù)學(xué)力學(xué)模型 ,應(yīng)用有限元法計(jì)算出片中各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力與變形 ,確定了彈簧片的波形曲面尺寸 ,以此為依據(jù)制造出沖壓 模具及波形彈簧片 ,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到進(jìn)口產(chǎn)品性能 ,實(shí)現(xiàn)了該產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化 。關(guān)鍵詞波形彈簧片波形曲面有限元計(jì)算應(yīng)力與變形劍桿織機(jī)軸端的電磁離合器與制動(dòng)器均使用波形彈簧片來(lái)傳遞動(dòng)力與實(shí)現(xiàn)離合 ,彈簧片的波形曲 面是影響其使用性能的重要技術(shù)參數(shù) ,合理的波形曲面能保證離合器與制動(dòng)器啟動(dòng)響應(yīng)快 、傳動(dòng)過(guò)程 平穩(wěn) 、使用壽命長(zhǎng) ,同時(shí)也影響到波形彈簧片的沖壓 加工及熱處理工藝 ,是電磁離合器與制動(dòng)器的關(guān)鍵 技術(shù)之一 。采用有限元法分析計(jì)算彈簧片中的應(yīng)力 與變形 ,確定了彈簧片的波形曲面尺寸 ,制造出彈簧片的沖壓模 ,并改進(jìn)了熱處理工藝 ,生產(chǎn)出與國(guó)外產(chǎn) 品性能相同的系列化產(chǎn)品 。織機(jī)制造廠家開(kāi)始采用圓柱面配合直線母線回轉(zhuǎn) 360形成波形曲面的方法 ,生產(chǎn)的彈簧片無(wú)法滿 足技 術(shù) 條 件 。隨 后 改 為 正 弦 曲 線 配 合 直 線 母 線360旋轉(zhuǎn)形成波形曲面 ,具體方法是以 Z = sin 2t03的正 弦 曲 線 為 基 礎(chǔ) , 將 此 曲 線 彎 曲 作 為 導(dǎo) 線 。在xoy 平面內(nèi)形成半徑 R 的投影圓 ,以過(guò)原點(diǎn)的直線 作母線 ,沿彎曲正弦曲線旋轉(zhuǎn) ,形成所求的曲面 。空22 )間曲面方程 為 : Z = Ay (3 x- y。但 是 , 制 造 出 的22 )R ( x + y彈簧片也不能滿足技術(shù)條件 。故改用有限元法計(jì)算波形片的變形量及空間尺寸 ,作為設(shè)計(jì)零件和沖壓 模的依據(jù) 。1 . 2計(jì)算原理波形彈簧片屬于非線性大變形彈性元件 ,其內(nèi)計(jì)算模型與原理11 . 1 計(jì)算模型波形彈簧片的成品零件見(jiàn)圖 1 所示 , 片厚 0 . 7 mm ,在一個(gè)圓周上作出 3 個(gè)波形 。波形彈簧片材質(zhì) 為沉淀強(qiáng)化半奧氏體不銹鋼 0Cr17Ni7Al ,彈性模量 E = 2 . 0343 105 M Pa ,泊松比 0 . 3 。具體的技術(shù)要求為 : 在壓平狀態(tài)下波簧外徑為180 mm ;在 180 mm 的切向平面內(nèi)作出 3 個(gè)波形 , 波峰波谷間圓滑連接 ;在 20 kg 軸向載荷作用下 ,彈 簧片能完全壓平 ;壓平狀態(tài)下與銜鐵外圓無(wú)間隙 ,與 銜鐵內(nèi)圓間隙小于 0 . 1 mm ;硬度 HRC4246 。1部受力為三維應(yīng)力 。滿足如下方程應(yīng)力平衡方程 :9x 9xy 9xz+= 09x9y9z9y 9yx 9yz+= 0(1)9y9x9z9z 9zy 9zx+= 09z9y9x應(yīng)力與形變的關(guān)系方程 :2(1 + v) A2 + 9= 0x9x22(1 + v) A2 + 9= 0y9y22(1 + v) A2 + 9= 0(2)z9z222 9 (1 + v) Axy + 9x9y = 0圖 1波形彈簧結(jié)構(gòu)紡織機(jī)械 2009 年第 3 期研究與應(yīng)用 272+ 9 = 0位移量呈正弦波變化 ,但隨半徑加大 ,各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的軸向位移逐漸增加 。即最大軸向變形量在彈簧片外 圓周 R = 90 mm 處 。(1 + v) A2yz9y9z2+ 9 = 0(1 + v) A2zx9z9x式中 :平均正應(yīng)力 =x +y +z1 . 3 計(jì)算過(guò)程因波形彈簧片的 3 個(gè)波峰與 3 個(gè)波谷沿圓周方 向均勻 分 布 , 間 隔 為 60, 根 據(jù) 形 狀 與 尺 寸 的 對(duì) 稱性 ,計(jì)算時(shí)取 13 圓環(huán)面為計(jì)算對(duì)象 。由于計(jì)算目 標(biāo)是求出彈簧片整體的變形量 ,為簡(jiǎn)化計(jì)算 ,略去片 上螺栓孔 ,將孔周圍的環(huán)形面積上軸向載荷簡(jiǎn)化為 節(jié)點(diǎn)上的軸向集中載荷 ,圓環(huán)長(zhǎng)度中點(diǎn)沿軸向施加 一個(gè)與實(shí)際受力相同的 6 . 67 kg 集中載荷 ,為彈簧 片波峰位置 ,13 圓環(huán)兩端為固定端 ,為波谷位置 。采用 AD INA8 . 4 有限元計(jì)算軟件計(jì)算 ,半徑方 向長(zhǎng)度步長(zhǎng)取r = 2 . 8125 mm ,圓周方向角度步長(zhǎng)= 3,因彈簧片較薄 ,軸向方向計(jì)算單元尺寸取彈 簧片厚度 ,采用三維薄殼模型計(jì)算2 。劃分得出計(jì)算網(wǎng)格如圖 2 所示 。圖 3圓周方向節(jié)點(diǎn)軸向位移量( 1)圖 4圓周方向節(jié)點(diǎn)軸向位移量( 2)圖 2波形彈簧有限元網(wǎng)格由于具有正交邊界結(jié)構(gòu) ,劃分的單元為六面體八結(jié)點(diǎn)單元 ,數(shù)值積分階數(shù)為 2 2 。因所求未知函 數(shù)是變形位移量 ,單元內(nèi)應(yīng)力修勻采用總體應(yīng)力磨平方法3 4。圖 5圓周方向節(jié)點(diǎn)軸向位移量( 3)2 計(jì)算結(jié)果分析及應(yīng)用2 . 1變形位移量分析采用 AD INA8 . 4 有限元軟件計(jì)算 ,求出了波形 彈簧片圓環(huán)上各網(wǎng)格單元的軸向及圓周方向和半徑方向位移量的數(shù)值 ,輸出相應(yīng)的數(shù)值文件5 。對(duì)比 3 個(gè)方向位移 ,軸向位移量為主要變形量 , 是決定波形彈簧片模具曲面的主要參數(shù) ,在圓周方 向各條網(wǎng)格線的節(jié)點(diǎn)上 ,產(chǎn)生軸向位移量見(jiàn)圖 3 圖 5 所示 。半徑一定時(shí) ,圓周方向的各節(jié)點(diǎn)的軸向圖 6波形彈簧片受力變形立體網(wǎng)格28 研究與應(yīng)用紡織機(jī)械 2009 年第 3 期波形彈簧片受力后總體變形立體網(wǎng)格見(jiàn)圖 6 所示 。從圖 3 圖 6 可知彈簧片變形是三維 ,國(guó)內(nèi)廠 家在前期試制中設(shè)計(jì)的圓柱面配合直線母線形成回 轉(zhuǎn)波形曲面以及正弦波配合直線母線形成回轉(zhuǎn)曲面 均與之有較大偏差 ,主要是彈簧內(nèi)周軸向位移偏大 ,使得制造出的彈簧片無(wú)法在規(guī)定軸向載荷下壓平 。波形彈簧片的平面位移量相對(duì)較小 ,波形彈簧 片各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的平面位移量列于表 1 ,由于彈簧片 幾何圖形及受力及變形關(guān)于 y 軸對(duì)稱 ,故只列出 060內(nèi)的數(shù)據(jù) 。表 1波形彈簧片各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的平面位移量徑徑注 :表中每一半徑處 :上行為 x 方向位移 , 下行為 y 方向位移 。 半(mm)03691215182124273067 . 50- 0 . 001- 0 . 002- 0 . 0010 . 0010 . 0030 . 0070 . 0110 . 0140 . 0170 . 019- 0 . 957- 0 . 947- 0 . 919- 0 . 874- 0 . 814- 0 . 743- 0 . 662- 0 . 574- 0 . 483- 0 . 391- 0 . 30370 . 31250000 . 0010 . 0040 . 0070 . 0110 . 0160 . 020 . 0230 . 024- 1 . 058- 1 . 047- 1 . 016- 0 . 966- 0 . 901- 0 . 823- 0 . 735- 0 . 642- 0 . 545- 0 . 447- 0 . 3533 . 125000 . 0010 . 0030 . 0060 . 010 . 0150 . 020 . 0250 . 0280 . 03- 1 . 163- 1 . 151- 1 . 115- 1 . 06- 0 . 988- 0 . 903- 0 . 809- 0 . 709- 0 . 606- 0 . 503- 0 . 40375 . 938000 . 0010 . 0040 . 0080 . 0140 . 0190 . 0250 . 030 . 0330 . 035- 1 . 271- 1 . 258- 1 . 218- 1 . 157- 1 . 077- 0 . 985- 0 . 884- 0 . 777- 0 . 667- 0 . 558- 0 . 45278 . 75000 . 0020 . 0050 . 010 . 0170 . 0230 . 030 . 0350 . 0390 . 041- 1 . 385- 1 . 37- 1 . 324- 1 . 255- 1 . 168- 1 . 068- 0 . 959- 0 . 845- 0 . 728- 0 . 613- 0 . 50181 . 563000 . 0020 . 0060 . 0120 . 020 . 0270 . 0340 . 040 . 0450 . 047- 1 . 505- 1 . 487- 1 . 435- 1 . 356- 1 . 26- 1 . 151- 1 . 034- 0 . 912- 0 . 789- 0 . 667- 0 . 54984 . 3750- 0 . 0010 . 0020 . 0070 . 0140 . 0230 . 0310 . 0390 . 0460 . 0510 . 053- 1 . 633- 1 . 61- 1 . 549- 1 . 46- 1 . 353- 1 . 235- 1 . 109- 0 . 979- 0 . 849- 0 . 72- 0 . 59687 . 18750- 0 . 0010 . 0010 . 0070 . 0160 . 0260 . 0360 . 0450 . 0520 . 0570 . 06- 1 . 769- 1 . 74- 1 . 666- 1 . 565- 1 . 448- 1 . 319- 1 . 184- 1 . 046- 0 . 908- 0 . 772- 0 . 642900- 0 . 00300 . 0070 . 0180 . 0290 . 040 . 050 . 0580 . 0640 . 067- 1 . 92- 1 . 876- 1 . 785- 1 . 672- 1 . 543- 1 . 404- 1 . 259- 1 . 112- 0 . 966- 0 . 823- 0 . 686 半(mm)3336394245485154576067 . 50 . 0190 . 0160 . 0120 . 0070 . 002- 0 . 001- 0 . 002- 0 . 00100- 0 . 221- 0 . 149- 0 . 092- 0 . 05- 0 . 024- 0 . 012- 0 . 009- 0 . 008- 0 . 005070 . 31250 . 0240 . 0220 . 0180 . 0120 . 0070 . 0030 . 001000- 0 . 266- 0 . 188- 0 . 124- 0 . 075- 0 . 041- 0 . 022- 0 . 012- 0 . 008- 0 . 004073 . 1250 . 030 . 0270 . 0230 . 0180 . 0120 . 0070 . 0030 . 00100- 0 . 31- 0 . 226- 0 . 155- 0 . 098- 0 . 057- 0 . 031- 0 . 016- 0 . 008- 0 . 003075 . 9380 . 0350 . 0330 . 0290 . 0230 . 0170 . 0110 . 0060 . 00200- 0 . 353- 0 . 263- 0 . 185- 0 . 121- 0 . 073- 0 . 04- 0 . 019- 0 . 008- 0 . 003078 . 750 . 0410 . 0380 . 0340 . 0280 . 0210 . 0140 . 0080 . 0040 . 0010- 0 . 396- 0 . 3- 0 . 216- 0 . 145- 0 . 09- 0 . 05- 0 . 024- 0 . 009- 0 . 002081 . 5630 . 0470 . 0440 . 0390 . 0330 . 0250 . 0180 . 0110 . 0060 . 0020- 0 . 438- 0 . 336- 0 . 246- 0 . 169- 0 . 108- 0 . 061- 0 . 029- 0 . 01- 0 . 001084 . 3750 . 0530 . 050 . 0450 . 0380 . 030 . 0220 . 0140 . 0080 . 0030- 0 . 479- 0 . 371- 0 . 275- 0 . 193- 0 . 125- 0 . 072- 0 . 035- 0 . 0110087 . 18750 . 060 . 0570 . 0510 . 0440 . 0350 . 0260 . 0180 . 0110 . 0060- 0 . 518- 0 . 405- 0 . 303- 0 . 214- 0 . 141- 0 . 083- 0 . 04- 0 . 0120 . 0010900 . 0670 . 0640 . 0580 . 050 . 0410 . 0310 . 0220 . 0150 . 0090- 0 . 556- 0 . 437- 0 . 329- 0 . 235- 0 . 155- 0 . 091- 0 . 043- 0 . 0120 . 0030紡織機(jī)械 2009 年第 3 期研究與應(yīng)用 29基于 La b VIEW 的單圓盤柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡振動(dòng)分析王慧(德州學(xué)院 253023)摘要通過(guò)對(duì)單圓盤柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn) ,利用圖形化編程語(yǔ)言 L abV I EW ,對(duì)不平衡振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了多種分析處理 ,最終計(jì)算出不平衡振動(dòng)量的幅值與相位 ,確定不平衡量的位置 ,為利用軟 件解決旋轉(zhuǎn)機(jī)械的動(dòng)平衡問(wèn)題提供了重要依據(jù) 。關(guān)鍵詞L abV I EW單圓盤柔性轉(zhuǎn)子頻譜分析相關(guān)分析由于設(shè)計(jì) 、結(jié)構(gòu) 、材質(zhì)不均勻以及制造安裝誤差等原因 ,所有實(shí)際轉(zhuǎn)子的中心慣性主軸都或多或少 的偏離其旋轉(zhuǎn)軸線 。這樣 ,當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) ,轉(zhuǎn)子各微元質(zhì)量的離心慣性力所組成的力系不是一個(gè)平衡力系 。這種情況稱為轉(zhuǎn)子具有不平衡或失衡 。研究表 明 ,旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)主要是由不平衡引起的 ,尤其在 高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械中表現(xiàn)得更為顯著 。因此 ,對(duì)于各類旋轉(zhuǎn)機(jī)械 ,在制造和使用時(shí)都要對(duì)轉(zhuǎn)子或整機(jī)進(jìn)行 嚴(yán)格的 、符合標(biāo)準(zhǔn)要求的動(dòng)平衡 。本課題利用單圓 盤柔 性 轉(zhuǎn) 子 實(shí) 驗(yàn) 臺(tái) , 采 用 圖 形 化 編 程 語(yǔ) 言 L ab2V I EW ,對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的不平衡振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析處理 。1圖形化編程語(yǔ)言 La b VIEWL abV I EW (L abo rato ry Virt ual Inst rument Engi2neering Wo r kbench ,實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺(tái)) 是美國(guó)國(guó) 家 儀 器 ( N I) 公 司 開(kāi) 發(fā) 的 一 種 基 于 G 語(yǔ) 言( Grap hical Programming L anguage) 的可視化開(kāi)發(fā)平 臺(tái) 。L abV I EW 語(yǔ)言是把繁瑣 、費(fèi)時(shí)的代碼編寫 輸 入 ,簡(jiǎn)化為使用菜單圖標(biāo)提示的方法選擇功能 ,并用 線條把各種功能連接起來(lái)的簡(jiǎn)單圖形編程方式 。降 低了從表 1 可知 ,波形彈簧片在 x 、y 平面內(nèi)的變形量遠(yuǎn)小于軸向變形量數(shù)值 ,且 y 方向變形量多為負(fù) 值 ,故在設(shè)計(jì)沖壓模時(shí)可不考慮彈簧片平面內(nèi)的變 形 ,仍按毛坯零件的尺寸設(shè)計(jì)沖壓模的內(nèi)外圓周 。2 . 2 計(jì)算結(jié)果檢驗(yàn)與應(yīng)用將有限元計(jì)算的數(shù)據(jù)輸入到數(shù)