主轴系统仿真分析及优化设计

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1、H03水平定向钻机主轴系统仿真分析报告编制：2014年02月26日1、分析目的：系统由主轴、浮动主轴、变径轴、短节组成，在工作时承受回转力矩40000N*M、以及回拖力900KN，在动态工况下为拉扭复合载荷，同时还有来自整机的随机振动。因此，需要分析系统在拉扭预定载荷条件下的力学分析和模态分析，研究系统的变形、应力、应变、安全系数、固有频率等规律，为系统的优化设计提供理论依据。2、分析方法：按照系统的工程图，在ansys12.0的workbench界面中建立系统的三维模型。同时对主轴、浮动主轴、变径轴、短节单独画分网格，网格总数为60万个。约束方式为：

2、浮动轴左端固定，右端施加900000N回拖力；主轴轴承位固定约束，同时在花键侧面施加330000N等效回转力。分别求解系统的力学分析和模态分析。后处理：利用云图显示系统的总变形、总应变、总应力分布、安全系数分布、和固有频率及各阶振型。3、参数设置：主要分析系统在不同材料下的仿真对比（45#、40Cr、20CrMnTi），其中：45#的弹性模量为216GP，泊松比为0.28；40Cr的弹性模量为206GP，泊松比为0.3；20CrMnTi弹性模量为207GP，泊松比为0.25。4、具体分析过程如下：（1）、45号钢分析结果：图1变形云图图2应变云图图3应

3、力云图图4安全系数云图提示：A、从图1可以看出系统在拉扭复合载荷作用下最大的变形位于短节端部，约为0.47mm.B、从图2可以看出系统在拉扭复合载荷作用下危险截面位于短节端部和主轴矩形花键部位。C、从图3可以看出系统在拉扭复合载荷作用下危险截面应力约为300MP。D、从图4可以看出系统在拉扭复合载荷作用下，最小的安全系数是1.0，短节端部和主轴矩形花键部在设计时需要重点考虑！（2）、40Cr分析结果：图1变形云图图2应变云图图3应力云图图4安全系数云图提示：A、从图1可以看出系统在拉扭复合载荷作用下最大的变形位于短节端部，约为0.45mm.B、从图2可

4、以看出系统在拉扭复合载荷作用下危险截面位于短节端部和主轴矩形花键部位。C、从图3可以看出系统在拉扭复合载荷作用下危险截面应力约为276MP。D、从图4可以看出系统在拉扭复合载荷作用下，最小的安全系数是1.0，短节端部和主轴矩形花键部在设计时需要重点考虑！（3）、20CrMnTi分析结果：图1变形云图图2应变云图图3应力云图图4安全系数云图提示：A、从图1可以看出系统在拉扭复合载荷作用下最大的变形位于短节端部，约为0.49mm.B从图2可以看出系统在拉扭复合载荷作用下危险截面位于短节端部和主轴矩形花键部位。C、从图3可以看出系统在拉扭复合载荷作用下危险截

5、面应力约为226MP。D、从图4可以看出系统在拉扭复合载荷作用下，最小的安全系数是1.0，短节端部和主轴矩形花键部在设计时需要重点考虑！（4）、20CrMnTi（主轴、浮动轴），40Cr（变径轴、短节）分析结果：图1安全系数云图图2模态分析云图提示：A、从图1可以看出系统在拉扭复合载荷作用下，最小的安全系数是1.0，短节端部和主轴矩形花键部在设计时需要重点考虑！B、从图2可以看出系统在拉扭复合载荷预定作用下，一阶固有频率为120HZ，已经避开发动机的固有频率（100HZ以内），系统在工作时不会和发动机发生共震。1、分析结论如下：（1）系统在工作时不会与

6、发动机共振。（2）随着系统材料45#适宜性最差，其次是40Cr,最好的是20CrMnTi。具体表现在：随着材料的能性提高，系统的应力分布和安全系数均有所增加。（3）系统的最危险部位处于短节的端部。其次，是主轴键根部和浮动主轴花键根部。这两个部位即便是采用性能最好的20CrMnTi，安全系数仍然不高！（4）建议：变径轴采用40Cr,整体调质处理HB340-361，保证机械性能11.9级，表面渗碳淬火HRC50-52深度1.0-1.2，保证表面有足够的耐磨性！（5）建议：主轴和浮动主轴采用20CrMnTi,粗车后调质处理HB320-340，保证机械性能11

7、.9级，表面渗碳淬火HRC48-52深度1.0-1.2，保证齿面有足够的耐磨性！（6）为了防止由于粗糙度、尖角等因素导致热处理过程中的应力集中、产生裂纹，应该在设计时提高表面精度。（7）此外，在原材料采购时应抽查化学成分分析，在热处理时应该要求准备随炉试样，按照国标做机械性能试验！同时，检验其硬度。（8）为了防止因为热处理过程中产生肉眼无法辨别的裂纹，导致系统在工作时断裂，应该对其进行探伤处理。