摩擦式離合器離合銷的斷裂力學(xué)原因分析及解決方案

馮志祥, 王 駿

(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院振華廠,江蘇 無錫 214121)

摩擦式離合器離合銷的斷裂力學(xué)原因分析及解決方案

馮志祥, 王 駿

(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院振華廠,江蘇 無錫 214121)

針對(duì)現(xiàn)有離合器離合銷出現(xiàn)的斷裂情況,進(jìn)行強(qiáng)度校核,并對(duì)其應(yīng)力集中現(xiàn)象進(jìn)行有限元分析,找出原因,提出改進(jìn)方法,從根本上解決其斷裂問題。

離合器;離合銷;有限元;改進(jìn)設(shè)計(jì)

離合器,作為機(jī)床里的重要組成部分,用以控制壓力機(jī)工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和停止,其性能的好壞往往關(guān)系到操作人員的安全。

我校辦廠生產(chǎn)的干式摩擦離合器,該離合器為雙片式摩擦離合器,由主體、活塞、氣缸、摩擦盤等組成,通過氣缸的進(jìn)氣和排氣,由兩塊摩擦盤完成制動(dòng)和離合。

經(jīng)某企業(yè)反饋,本廠供應(yīng)的LZD755氣動(dòng)離合器在使用一段時(shí)間后,離合銷容易出現(xiàn)斷裂。已知額定最大離合扭矩30 000 Nm,最大制動(dòng)扭矩12 000 Nm。離合中心距930 mm,制動(dòng)中心距1360 mm,離合銷直徑45 mm,額定使用氣壓0.55 Mpa。

本文從力學(xué)角度對(duì)可能出現(xiàn)的原因進(jìn)行了分析,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。

1 強(qiáng)度校核

1.1 計(jì)算離合銷受力大小

該企業(yè)設(shè)計(jì)該壓力機(jī)時(shí),實(shí)際所需離合扭矩約為Mn離=24 000 Nm。

圖1為離合器總裝配圖,根據(jù)離合銷的實(shí)際受力情況,得到兩離合銷的受力圖(如圖2所示)。由圖2可得

1.2 由單根離合銷計(jì)算最大彎矩

圖1 離合器裝配圖Fig.1 Clutch assembly

圖2 兩離合銷受力圖Fig.2 Two clutch pins bearing

圖3 單根離合銷受彎圖Fig.3 Single clutch pin bent

由彎矩圖(圖3):

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)常用鋼鐵材料機(jī)械性能(GB 699—88)可查:

對(duì)應(yīng)其屈服應(yīng)力σS=355 MPa。取其安全系數(shù)1.2(此安全系數(shù)偏低),求得其許用應(yīng)力[σ]為295.8 MPa,顯然σmax<[σ],彎曲強(qiáng)度符合要求。

2 結(jié)構(gòu)及工況分析

2.1 離合銷結(jié)構(gòu)分析

由于安裝以及與套相配的要求,離合銷在結(jié)構(gòu)上形成了臺(tái)階和槽,存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象,對(duì)離合銷應(yīng)力集中現(xiàn)象進(jìn)行了有限元分析。

本次計(jì)算分析應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件U G nx2.0建立離合銷的三維模型,然后導(dǎo)入到ANSYS 8.0中并進(jìn)行必要的修正,再建立有限元計(jì)算模型。將仿真分析工況的載荷數(shù)據(jù)加到有限元計(jì)算模型上進(jìn)行計(jì)算分析如圖4所示。

圖4 離合銷有限元分析圖Fig.4 Finite element analysis of clutch pin

結(jié)果顯示,最大應(yīng)力產(chǎn)生在擋板槽底部位,最大值為294 MPa,在許用應(yīng)力范圍之內(nèi),符合強(qiáng)度要求。

2.2 離合銷使用工況分析

據(jù)該公司350T壓力機(jī)的使用情況,該機(jī)型使用頻繁,平均開機(jī)時(shí)間在21.5 h/d。這對(duì)設(shè)備的休整與機(jī)械零件性能的恢復(fù)帶來較大的影響,易造成離合銷疲勞斷裂。

綜上所述,我們分析認(rèn)為,在高強(qiáng)度的工作狀況下,離合銷的各項(xiàng)力學(xué)性能均處于極限狀態(tài),這是造成疲勞斷裂的主要原因。

3 離合銷斷裂問題解決方案

3.1 增大設(shè)計(jì)安全系數(shù)

離合銷直徑由原先的45 mm增大到50 mm,彎曲應(yīng)力:

可計(jì)算出其安全系數(shù)增大到為1.8,極大的增加了安全性。

3.2 改進(jìn)離合銷的結(jié)構(gòu)

(1)由臺(tái)階梯銷改成等直徑銷,避免橫截面突變。

(2)擋板槽底銳角改為倒圓過渡(見圖5)。

圖5 槽底銳角改為倒圓過渡Fig.5 Tank bottom angles to round transitions

兩處改進(jìn)均可減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3.3 改進(jìn)熱處理工藝

離合銷的加工工藝改為:粗加工—調(diào)質(zhì)處理—半精加工—淬火—磨削精加工。增加了一道中間熱處理,調(diào)質(zhì)處理可以使中碳鋼整體獲得比較良好的綜合機(jī)械力學(xué)性能。

4 結(jié)束語

離合銷作為離合器上的重要組成部分,直接關(guān)系到離合器的工作性能,直接關(guān)系到工人的生產(chǎn)安全,通過以上三個(gè)方面的改進(jìn)方案很好的避免離合銷斷裂現(xiàn)象,提高了產(chǎn)品質(zhì)量,降低了工人受傷的可能性。

[1] 吳建生.工程力學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010

[2] 王勖成.有限單元法[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003

[3] 柯明楊.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1996

[4] 何德譽(yù).曲柄壓力機(jī)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996

Mechanical Analysis and Solution to the Breaking of Clutch Pin of Slip Clutch

FENG Zhixiang, WANG Jun
(Zhenhua Plant,Wuxi Institute of Technology,Wuxi 214121,China)

In accordance with the breaking of the clutch pins of the slip clutches in use presently,we make strength check and finite-element analysis to the concentration of stress so as to find out the reason and improve the design to solve the problem of breaking of pins.

clutch;the clutch pin;finite element;improved design

TH 133.4

A

167127880(2011)0620073203

2011-11-08

馮志祥(1981— ),男,江蘇南通人,助教,研究方向?yàn)榱W(xué)。