JWF1278型精梳機錫林殼體靜力結構分析

吳云珍

（經緯智能紡織機械有限公司，山西 晉中 030601）

0 引言

新型JWF1278型精梳機圍繞先進技術裝備要求，在高速變速梳理技術、鉗板傳動結構、分離羅拉運動機構、牽伸技術機構等核心技術方面體現出了優良的設計和制造特點［1］。錫林殼體是精梳機圓梳部件上的重要零件，它通過兩組螺栓聯接抱緊在錫林軸上，隨錫林軸一同做回轉運動，從而帶動錫林轉動。經緯智能紡織機械有限公司JWF1278型精梳機錫林殼體采用壓鑄鋁合金輕質材料，減少了組件的轉動慣量，適應高速圓周變速運動，但是對加工和裝配的精度提出了更高的要求。在安裝錫林殼體時，螺栓的擰緊力矩非常關鍵，若擰緊力矩過大，會造成錫林殼體的變形損壞；若擰緊力矩過小，則可能會使錫林殼體與錫林軸在高速運行時出現相對滑動現象。為此，有必要對安裝錫林殼體時所需的螺栓預緊力進行計算，得出比較合理的擰緊力矩值，為設計人員提供理論參考依據。而要計算出準確的螺栓預緊力，首先必須知道錫林殼體在工作狀態下承受的最大扭矩，然后計算出錫林殼體所需的最大靜摩擦力，接著由此計算出錫林殼體對錫林軸的最大正壓力，最后計算出抱緊螺栓所需的預緊力大小。

本文通過計算得出JWF1278型精梳機錫林殼體抱緊力，估算錫林殼體抱軸的螺栓預緊力及擰緊力矩大小，在Creo 4.0軟件中建立錫林殼體螺栓聯接組件的三維模型，再導入ANSYS Workbench軟件中對其進行靜力結構分析。

1 錫林殼體的受力分析

JWF1278型精梳機圓梳部件主要由錫林軸、錫林、平衡板、錫林殼體組成，如圖1所示。錫林軸共帶動8組錫林殼體結合件運轉，每組錫林殼體結合件包括2個錫林殼體、1個錫林、1個平衡板。其中，每個錫林殼體與錫林軸均由兩組螺栓抱緊在一起。錫林軸轉動時帶動錫林轉動，故錫林軸對錫林殼體的正向摩擦力是錫林殼體能轉動起來的動力，也是使錫林殼體能轉動的最小動力。若能算出此正向摩擦力值，便可以估算出錫林殼體所受的正壓力，從而得到錫林殼體的抱緊力大小。

圖1 JWF1278型精梳機圓梳部件

1.1 計算錫林軸最大角加速度

在Creo 4.0軟件中分別對主動非圓齒輪與從動非圓齒輪進行敏感度分析，取最小分度為0.1°，則沿非圓齒輪一周有3 600個分度，以一對非圓齒輪分度圓上嚙合的初始位置為起點，得到主動非圓齒輪和從動非圓齒輪旋轉一周各分度的位移S1和S2，從而可以計算出一對非圓齒輪的傳動比i＝S2／S1，再根據電機轉速n及兩級非圓齒輪的傳動比計算出錫林軸在各分度的轉速n1＝i2n，然后計算出錫林軸在各分度的角速度ω＝2πn1／60，最后計算錫林軸的角加速度α＝Δω／Δt（Δω為相鄰兩個分度角速度的變化值，Δω＝Δω（k＋1）－Δωk，k＝1，2，…，3 600，Δt為與轉速n1相對應的時間間隔）。

取正常工況下S1＝39.043mm、S2＝48.183mm、n＝500r／min。計算得：i＝1.234 1，n1＝761.5r／min，ω＝79.7 rad／s，Δt＝60／（3 600n1）s，Δω＝0.049 7rad／s，則錫林軸的最大角加速度α＝Δω／Δt＝2 270.75rad／s2。

1.2 計算錫林殼體最大扭矩

在Creo 4.0軟件中建立一組錫林殼體結合件的三維模型，測得其轉動慣量J＝6.42×10－3kg·m2，則其轉矩T1＝Jα＝6.42×10－3×2 270.75N·m＝14.58N·m。

根據設計人員提供的經驗值，錫林軸在錫林梳理時承受的扭矩大約為M＝15N·m，因錫林軸同時帶動8組錫林進行梳理，所以平均分配到每個錫林上的梳理力矩M′＝M／8＝1.875N·m。因錫林在梳理時還需克服梳理力矩的作用，則錫林殼體結合件在高速圓周變速運動時所承受的最大扭矩T2為其轉矩與錫林上的梳理力矩之和，即T2＝T1＋M′＝16.455N·m。則分配到每個錫林殼體上的扭矩T＝T2／2＝8.23N·m。

1.3 計算錫林殼體的抱緊力

已知錫林軸半徑r＝15mm，可以計算出錫林殼體所受正向摩擦力：

錫林殼體材料為YL112，錫林軸材料為55鋼，錫林軸與錫林殼體之間的摩擦因數μ＝0.17［2］，則錫林殼體所受正壓力為：

即錫林殼體對錫林軸的抱緊力為3 227.47N。

2 估算螺栓預緊力

首先需要估算錫林殼體抱緊力與螺栓預緊力的關系?，F將錫林殼體受到的螺栓預緊力模型簡化為力學模型，如圖2所示。測得錫林殼體內側曲面半徑R＝15mm，錫林殼體軸心距螺栓中心距離為24.42mm。在螺栓預緊力F0作用下，錫林殼體抱緊力F1作用面其實是分布在錫林殼體整個內側面。假設在螺栓預緊力作用下，錫林殼體還未發生變形，則錫林殼體抱緊力F1應發生在圖2所示位置處。經測量圖2所示夾角θ＝38°，則：

根據擰緊力矩T′≈0.2F0d［3］（d為螺栓的公稱直徑，d＝8mm）估算擰緊力矩：

在這里取整值，即T′＝7N·m，故可以得出錫林殼體抱軸的螺栓聯接擰緊力矩至少為7N·m。

3 錫林殼體靜力結構分析

3.1 簡化模型及設置材料屬性

在Creo 4.0中建立錫林殼體螺栓聯接組件的三維模型，簡化螺栓、螺母的幾何模型，確保零件之間沒有干涉現象，簡化后的錫林殼體螺栓聯接組件三維模型如圖3所示。將簡化后的錫林殼體螺栓聯接組件三維模型導入到ANSYS Workbench軟件的靜力結構分析模塊（Static Structural）中進行分析。

圖2 錫林殼體抱緊力與螺栓預緊力關系簡化模型

圖3 錫林殼體螺栓聯接組件三維模型

錫林殼體材料為YL112，螺栓螺母材料為不銹鋼，它們的材料屬性如表1所示［4］。

表1 零件材料及屬性

3.2 設定接觸類型和劃分網格

在靜力結構分析模塊的機械模型（Mechanical）界面中，采用手動方式為錫林殼體、螺栓、螺母進行接觸設置，將錫林殼體與螺栓、錫林殼體與螺母、螺栓與螺母之間的接觸均設置為綁定（Bonded）連接。錫林殼體采用高階的四面體網格（Tetrahedrons）劃分生成四面體單元，設置其網格尺寸為3mm；螺栓和螺母采用多區網格（MultiZone）劃分生成六面體單元，設置其網格尺寸為2mm。進行網格劃分后，檢查網格單元質量為0.76，網格傾斜度為0.33。查網格傾斜度質量評估表可知此網格劃分單元質量較好［5］。

3.3 邊界約束條件

正常工況下，錫林殼體隨錫林軸在做高速圓周變速運動，選取錫林殼體在承受最大扭矩時的狀態作為研究對象進行靜力結構分析。假設錫林殼體與錫林軸之間無軸向滑動，也無相對轉動，錫林殼體向外可以徑向膨脹，所以在錫林殼體內側與錫林軸抱緊的圓柱面上施加圓柱支撐約束（Cylindrical Support），設置軸向（Axial）和切向（Tangential）均為固定約束（Fixed），徑向（Radial）為自由約束（Free）。施加旋轉速度（Rotational Velocity），轉速方向為錫林軸的旋轉方向，轉速n1＝761.5r／min。施加兩組螺栓預緊力（Bolt Pretension），預緊力方向分別沿各自螺栓軸方向，預緊力F0＝4 095.72N。錫林殼體螺栓聯接組件被施加約束和載荷后如圖4所示，其中，A處施加圓柱支撐約束，B處施加轉速，C處和D處分別施加螺栓預緊力。

圖4 錫林殼體螺栓聯接組件約束及載荷

3.4 靜力分析結果

設置完成后，進行求解并查看分析結果。錫林殼體等效應力分布云圖如圖5所示，最大應力約為176.16 MPa，位置在錫林殼體內側圓柱曲面的邊上。錫林殼體總形變分布云圖如圖6所示，最大形變約為0.08mm，發生在殼體夾緊錫林軸的頂端開口處。

圖5 錫林殼體等效應力分布云圖

圖6 錫林殼體總形變分布云圖

因錫林殼體材料YL112屬脆性材料，所以采用第一強度理論［6］來對分析結果進行評估。插入應力工具（Stress Tool）下的最大拉應力（Max Tensile Stress）理論，選擇默認應力極限類型（Stress Limit Type）為材料的拉伸極限，通過評估計算得出錫林殼體的最小安全系數（Safety Factor）為3.07，如圖7所示。由此最后得出結論，在此工況下錫林殼體的強度和剛度均滿足要求，可以安全可靠地運轉。

圖7 錫林殼體安全系數分布云圖

3.5 參數化分析

將錫林殼體螺栓聯接組件邊界約束條件中的兩組螺栓預緊力設為輸入參數，錫林殼體的最大應力、最大形變、最小安全系數設為輸出參數。以預緊力大小4 095.72N為參考值，在參數設置（Parameter Set）中設置不同的輸入參數值，再進行參數化分析，結果如表2所示。

表2 參數化分析結果

由表2中可知，當螺栓預緊力增大至7 500N時，錫林殼體的最大應力已經超過了材料的拉伸極限，所以螺栓預緊力最大不能超過7 500N。再根據擰緊力矩公式估算最大擰緊力矩T′＝0.2F0d＝12N·m，故得出：錫林殼體抱軸的螺栓聯接擰緊力矩至少為7N·m，最大不能大于12N·m。

4 結語

本文首先通過計算得出JWF1278型精梳機錫林殼體對錫林軸的抱緊力，并估算出錫林殼體上兩組螺栓聯接的預緊力及擰緊力矩大小，再對錫林殼體螺栓聯接組件進行靜力結構分析，得出如下結論：錫林殼體在承受最大扭矩工況下，其強度和剛度均滿足要求，且能安全可靠地運行。最后對錫林殼體螺栓聯接組件邊界約束條件中的兩組螺栓預緊力的大小進行參數化分析，得出合理的螺栓聯接擰緊力矩范圍，可為設計人員及裝配人員提供理論參考。