基于ABAQUS 的農業機械聯軸器靜動態特性分析*

張志紅 ，劉 潔

（晉中信息學院智能工程學院，山西 太谷 030800）

農業機械聯軸器主要由兩個軸叉萬向節構成，在連接中具有較大的角位移以及鏡像位移的補償參數。在應用中，可以根據操作要求對農業機械聯軸器進行標準化的安裝，根據安裝基準進行位移偏差等相關參數的控制以及調整優化，則可以提高安裝質效[1]?；贏BAQUS 對農業機械聯軸器靜動態特性進行模擬分析，了解各項參數以及不同狀態中的變化，對于農業機械聯軸器性能優化具有重要價值。

1 農業機械聯軸器性能分析

在農業機械聯軸器中，滾針軸承整體造型獨特，在應用中不容易受到農機設備環境等因素的影響，整體結構不易出現磨損，具有良好的耐磨性能。如果出現問題，更換滾針軸承即可繼續使用，操作簡單便捷。農業機械聯軸器在運行中會對補償角的偏差以及軸向、徑向位移等產生相對較小的附加彎矩以及摩擦阻力，這樣則可以減少在各個連接位置中產生的磨損等問題，有利于延長農機設備的應用壽命，在運行中通過控制減少聯軸器產生的負荷，則可以有效優化整體性能。

在農機設備應用中，農業機械軸是一種重要的萬向聯軸器。在應用過程中可以實現扭矩的傳遞以及承載。在運行中受到工作環境以及系統等多種因素的影響，容易出現軸頭等位置的磨損，其中產生的應力在軸肩位置相對集中，如果不對其進行優化，提高整體的強度，會增加系統應用的損耗，不利于農機設備的安全穩定運行[2]。因此，基于ABAQUS 軟件對農業機械聯軸器進行靜動態特性綜合分析，了解機械軸應力狀態，進行聯軸器模態分析、聯軸器動力學分析、疲勞分析，獲得數據，可以實現性能優化。

2 基于ABAQUS 的農業機械聯軸器靜動態特性分析

ABAQUS 軟件是功能強大的進行工程模擬的有限元軟件。其在農業機械聯軸器的靜動態特性中的應用，可以有效解決線性以及復雜的非線性問題。通過系統可以實現對靜動態特性的幾何形狀進行模擬分析，通過模型庫對典型的材料功能以及性能進行綜合模擬，對金屬材質進行通用模擬，可以有效解決農業機械聯軸器中存在的應力以及位移等相關問題[3]。同時，基于ABAQUS 軟件可以實現對農業機械聯軸器靜動態特性的綜合分析。農業機械聯軸器基于ABAQUS 軟件可以通過不同的單元模擬分析，深入地了解農業機械聯軸器靜動態特性的結構現象以及存在的差異性。實現對接頭等結構位置的力學行為的模擬分析，了解材料的關系以及特征，通過ABAQUS 軟件進行農業機械聯軸器疲勞、斷裂以及靜動態特性的綜合分析，具有顯著效果。

2.1 有限元建模

單邊的萬向傳動軸主要包括輸入、輸出以及農業機械軸三個重要的結構。其中，輸入與輸出軸之間通過相交而形成角度，稱為軸間角，由φ表示。軸間角是影響傳動比變化的主要因素，在整體呈現勻速轉動時，會隨著輸入段位的變化而出現不同程度的變化。根據機械設計原理進行分析，在角度分別為910°、270°時，輸出軸的轉矩會達到最大數值。

農業機械萬向聯軸器運行中受到多種因素的影響，導致其傳動中產生的受力狀態具有一定復雜性。其中，軸叉與農業機械軸的整體荷載屬于分布荷載，在軸向呈現均勻的分布狀態。農業機械萬向連接軸輸入與輸出主要通過軸承座經過滾針軸承實現力度的加載，共加載兩對力，其主要的大小參數是相同的，但是方向是相反的，主要的軸界面分布荷載會隨著接觸圓弧通過中心的位置逐漸向兩側位置呈倍數遞減[4]。

2.2 建模設置

在建模處理中分析主要運行工況等信息，其中電機設備的額定功率參數為1.5 kW，轉速為80 r/min，軸間角則為11°。根據工況進行計算，可以獲得仿真加載力以及其扭矩的數值參數，如表1 所示?；贏BAQUS 軟件進行對材料性能的分析，獲得物性參數，如表2所示。

表1 仿真加載力以及扭矩數值參數

表2 農業機械萬向聯軸器的物性參數

2.3 聯軸器應力模擬邊界條件

根據聯軸原理，分析農業機械萬向聯軸器實際狀況，對右端機械軸的上下端面進行固定約束性分析處理，其中，在左端的機械軸會受到力偶，通過加載聯軸器的方式進行處理，則可以在另一個機械軸上進行扭矩的施加，其參數為179 N·m。根據各項參數進行幾何模型的建設，對網格進行劃分處理，在模擬中劃分了13 588 個實體單元，其中，共有7 290 個單元網格總數。

3 農業機械聯軸器靜動態特性分析結果

基于結果進行綜合分析，通過處理則可以確定各項數值信息。根據動態特性進行機械軸應力狀態等相關內容的綜合分析，了解主要力學性能，并進行綜合判斷。

3.1 機械軸應力狀態分析

機械軸最大應力參數會隨著直徑參數的變化而變化。而直徑參數為15 mm 時應力變化整體呈現平緩狀態。不包括直徑參數為11 mm時，其余整體最大應力則要小于農業機械軸的屈服極限，在分析直徑參數的大小時受到一定的限制，整體上來說應力越小則獲得的效果越佳，對此，可以綜合可靠性以及經濟性等確定最佳參數為15 mm。軸直徑參數為15 mm 時，通過應力云圖分析可以發現，農業機械軸產生的最大應力多數在軸肩的位置，而總體的應力則會小于屈服極限，可以充分保障強度要求。

3.2 聯軸器模態分析

對聯軸器進行模態分析，主要可以了解在系統各個階段振型中產生的固有頻率參數，這樣可以有效避免共振等問題的出現。在模態分析的前幾個階段，要確定類型以及各項信息，通過子空間迭代的方式對其進行計算，獲得前6 個階段的模態信息，分別為：205 Hz、210 Hz、1 586 Hz、1 698 Hz、1 733 Hz、2 147 Hz。分析不同階段中的各項固有頻率等信息數據，結果符合要求，在運行中可以有效避免共振等相關問題的出現?；谒矐B動力學角度，可以發現在任意時間段其荷載結構產生的動力學影響模式。而不同材料的屬性、不同約束條件也具有一定的差異性，通過計算分析則可以了解具體的信息數據。通過模型分析曲線以及數值波動，則可以確定是否符合標準要求[5]。對不同節點預緊力的變化曲線進行分析，通過模擬分析可以發現，在不同的預緊力情況下，變化趨勢并沒有顯著的差異性。但是隨著預緊力的增加會導致角位移的變化。

3.3 疲勞分析

疲勞是材料在特定的點可以承受的擾動應力，在長期循環擾動應力之下會產生裂紋直至完全斷裂，由此產生局部永久性的結構變化。對聯軸器進行循環荷載加載作用，分析結構材料在疲勞破壞狀態之下可以承受的應力以及應變的循環總數，則將其稱為疲勞壽命。在循環荷載作用之下，能夠導致農業機械聯軸器出現疲勞性的損失。隨著荷載循環次數的增加會導致其產生的損傷程度持續增加。而在損傷程度達到上限數值時，則會出現疲勞性的破壞等問題，這樣會導致農業機械聯軸器出現結構失效的問題[6-7]。

為了對農業機械聯軸器進行疲勞仿真分析，基于ABAQUS 軟件進行模擬分析。將聯軸器的信息導入系統，形成S-N 曲線。通過模塊進行拓展可以獲得材料信息，之后，通過系統的計算獲得結果。再將曲線在模型中進行處理，導入瞬態動力學的分析結果，通過模塊進行模擬分析，則可以獲得在常規狀態以及不同的平行不對中程度下，聯軸器的疲勞壽命以及主要安全系數[8-10]。

通過分析可以確定在此狀態中，聯軸器容易出現疲勞損傷等問題，這主要受到循環荷載等作用的影響，容易出現區域性的疲勞損傷問題?；谒矐B動力學進行分析，則可以確定最低疲勞參數為0.53%～4.74%的壽命。通過模型的綜合分析，可以進行壽命預測，在處理中可以實現動態數列的檢驗分析，將其作為原始序列進行差分處理。經過檢驗，發現當階數為3時，整體數據平穩。

上述的仿真分析和預測對于確保農業機械聯軸器的安全性和穩定性至關重要。

3.4 結論

基于ABAQUS 軟件進行農業機械聯軸器的模擬分析，根據建模參數進行有限元分析，獲得結論如下：

通過碳纖維合金鋼進行農業機械聯軸器的設計，可以充分滿足整體的設計要求，有效控制重量，實現農業機械設備的輕量化發展。在設計中，將農機設備的中間軸設計為中控管的結構，可以有效避免在慣性轉矩的作用下產生的不良影響，有效控制并減少產生的附加彎矩以及扭轉振動等問題，這樣可以切實提高農機設備的整體傳動效率。

通過分析可以發現，應力的最大數值會受到直徑參數的影響，二者呈現反比的關系。在農業機械軸中，最佳的直徑參數為15 mm。在模態分析處理中可以有效避免共振等問題的出現。對聯軸器的研究分析發現，在不同的預緊力狀態下，角位移和角速度的動態影響變化整體趨勢相同。隨著預緊力的增大，角位移和角速度的變化幅值也會相應增大，因為聯軸器屬于鋼體結構，會導致角位移以及角速度逐漸趨于穩定狀態。

在聯軸器出現疲勞損傷時，其主要區域在連接位置，在正常狀態下產生的疲勞損傷輕。最低疲勞壽命和安全系數主要受到平行不對中的程度而出現變化，隨著程度的加深而減少，但是在程度為0.53%～2.63%時呈現增大的趨勢。在程度為3.16%～4.74%時，整體趨于平穩。

4 結語

基于ABAQUS 軟件進行農業機械聯軸器的模擬分析，能夠了解機械軸應力狀態，進行聯軸器模態分析、聯軸器動力學分析與疲勞分析，由此獲得相關數據，可以實現性能優化，切實滿足農業機械制造與生產的實際需求，有利于現代農業機械化發展。