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无锡克维斯:新型减速器设施材料的剖析研讨
作者:无锡市克维斯传动机械有限公司    发布于:2013-05-28 08:17:02    文字:【】【】【
摘要:无锡克维斯:新型减速器设施材料的剖析研讨

  直动推杆式直线减速器又称直移式变程器,是一种能实现输入、输出均为直移运动的新型传动装置<1~2>,其输入、输出构件的导轨平行或重合,具有减速增力或加速增程的功效。具有多种结构形式,其结构如1.其中齿条1,3是两齿距不同的齿条(齿距大的称为稀齿齿条,齿距小的称为密齿齿条),2为两端带有滚子的直动推杆(即为活齿),4为活齿架。该直线减速器可望在石油机械中获得应用,若在抽油杆端联接该直线减速器,抽油机的冲程便会增长;如果此直线减速器用于井下时,也能起到增程的功效,目前已有文献<3>对各种不同的结构形式进行了压力角分析,得出了多推杆协同工作情况下校核压力角的方法;文献<4>则详尽地分析了以上各构件的受力情况,但对于该减速器理论设计计算还不够,因此需要进一步进行强度计算。为了得到更精确的结果,将采用有限元方法对两齿条进行强度分析。

  1计算模型以一实例说明该结构形式的直线减速器的关键部件DD齿条内部的应力分布情况。

  设1直线减速器中齿条1,3的材料为40Cr,弹性模量E=200GPa,泊松比Λ=0.3,屈服点Ρs=950MPa,齿条1齿距h1=36mm,齿条3齿距h3=45mm,两齿条齿高h=6mm,两齿条总长度L= 2001年共有9对滚子。

  1.1 有限元模型由于齿条1,3与推杆滚子之间的作用力均在一个平面内,因此只需考虑该平面内的形变分量及位移分量,可以认为是平面应力问题<5>.采用美国AL2GOR公司的SUPERSUP软件,对两齿条进行了内部应力状态分析。在ALGOR软件中的平面应力问题常采用3节点三角形单元与4节点矩形单元,其计算简单,但计算精度较低,特别是对于形状复杂的结构,以上两种单元都不能与外形边界很好地拟合。

  为了提高计算精度,使单元能很好地与外形边界拟合,将采用4节点等参数单元(如2)进行力学模型离散化,同时考虑到两齿廓在受力处变形量较大,而在其他部分变形量较小的实际情况,对其网格的划分还采用了局部加密方式。

  1.1.1网格划分网格划分原则是既要尽量缩小解题规模,又要使不同结构的节点与单元数目保持一致;还得使有限元模型能够充分反映工程结构的主要力学特性。按照以上原则,两齿条的单元划分情况如1.1两齿条的单元划分节点数单元数齿条1847720齿条35824061.

  1.2约束处理在1中假设齿条3是固定的,而齿条1、推杆滚子与活齿架是移动的,为了消除其刚体位移,对于齿条1采用单端固支约束(如3a)。对于齿条3则采用单边固支约束(如3b)。

  1.1.3载荷确定对于本文所讨论的直线减速器,在运动过程中,滚子与两齿条之间的作用力在不断变化着,因此两齿条的受力情况是比较复杂的。为了进行定性分析,只分析了运动过程中某个位置的瞬时受力情况,虽然这种方法不能全面反映两齿条的应力状态,但对于静止状态下应力分布情况的反映,具有代性。文中分析的是当第1个推杆滚子在x=7mm位置(x示沿齿距方向变化的坐标值)上那个瞬时状态,在此状态下齿条1,3与滚子之间的作用力分别为F1i与F3i,其中下标1,3分别示齿条1与齿条3,下标i则示x的具体取值。例如,F111便示齿条1与滚子在x=11mm处接触时,两者之间的相互作用力大小;而Η32则示齿条3与滚子在x=2mm处接触时,两者之间作用力方向。其具体的大小及力的作用方向如2,3(中F1i,F3i,Η1i以及Η3i的数学计算模型已经在参考文献中给予了详细的叙述)。

  a齿条1的边界约束b齿条3的边界约束3边界约束2齿条1与滚子之间的相互作用力大小及方向F17NΗ17(°)

  F111NΗ111(°)

  F115NΗ115(°)

  F119NΗ119(°)

  F13NΗ13(°)

  107.526.2107.526.261.714.70-5.261.714.73齿条3与滚子间的相互作用力大小及方向F37NΗ37(°)

  F32NΗ32(°)

  F317NΗ317(°)

  F312NΗ312(°)

  71.519.226.36.66416.28822.6以上载荷值按应力等效原则分别加在相应的单元节点上,通过网格划分、约束处理及载荷确定,便可以建立如4a、4b的力学模型。

  2有限元计算结果分析应用2 OIL FIELD EQUIPMENT

  对上述力学模型进行了计算,获得了两齿条内部的应力分布曲线如5.由5a知,齿条1同时受到径、横2个方向上的作用力,其中径向力相互抵消、横向力则与约束力平衡,因此其应力分布情况还是比较复杂的。由应力曲线分布来看,齿条1受到的拉应力沿齿条作横向分布,而压应力则呈径向分布,最大拉应力发生在离固定端最近的最小截面上,这与理论分析结果是完全吻合的。由5b知,由于齿条3主要受到沿径向的作用力,横向力较小,故其应力是沿径向分布的。在载荷作用处,其相应的应力值最大,然后便沿着径向逐渐减小,到齿条3顶部时,应力值几乎为零。(对应的应力值结果为102MPa),说明载荷最大处部件更容易受到破坏。

  a齿条1b齿条34力学模型3结论通过对某一瞬时状态力学模型的分析计算,所得的结果与实际计算结果基本相符。从而说明该分析方法对对称布置形式直线减速器而言,在任意时刻均是适用的。同时也可以推断该分析方法对于直动推杆式直线减速器的其他几种结构型式仍然是适1D605199MPa;2D432185MPa;3D346180MPa;4D259171MPa;5D173114MPa;6D86157MPaa齿条1的内部应力分布曲线1D38316MPa;2D27411MPa;3D21913MPa;4D16414MPa;5D10916MPa;6D5418MPab齿条3的内部应力分布曲线5两齿条内部应力分布曲线用的。本次研究只是初步尝试,还可以应用有限元方法进一步研究该减速器关键部件的变形规律。

脚注信息
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