陳亞維張 巍梅俊歌

（1.中原工學院 機電學院，鄭州 450007；2.中原工學院 材料與化工學院，鄭州 450007）

錠子裝配中錠桿與錠盤壓配變形的有限元分析

陳亞維1張 巍1梅俊歌2

（1.中原工學院 機電學院，鄭州 450007；2.中原工學院 材料與化工學院，鄭州 450007）

針對錠子裝配過程中錠桿與錠盤在壓配后變形較大的問題，利用有限元分析ANSYS軟件對其壓配過程進行模擬仿真；通過調整過盈量的大小，模擬出其在相對應過盈量下，錠桿與錠盤經壓配后產生的應力應變的情況。從而得出過盈量對桿盤壓配后錠子精度的影響并找出相對優(yōu)化的壓配參數(shù)。

錠子 錠桿 錠盤 有限元模擬 過盈量

引言

錠子呈細長回轉軸的組合形態(tài)，由錠桿與錠盤組成，是現(xiàn)代紡紗機中加拈卷繞的重要組成部件之一，其質量直接影響到細紗的產量和質量。錠子屬于高速旋轉件，紡紗生產過程中對其質量有很高的要求。目前國內企業(yè)一般采用壓入法的過盈聯(lián)接使錠桿與錠盤結合成為回轉體[1]。但在裝配過程中，很多企業(yè)往往采用增大壓配過盈量的方式提高過盈量的可靠性，其結果是壓配后錠子的變形量增大。對企業(yè)中壓配的考察情況來看，有近1/3的錠子在桿盤壓配后因變形過大導致超差，需要返修或剔除。本文以D32錠子為研究對象，利用有限元分析ANSYS軟件對錠子中錠桿與錠盤壓配過程進行仿真分析，分析其過盈量對壓配變形的影響。旨在提高其裝配精度，對錠子旋轉精度和細紗機性能的提高有著重要意義。

1 D32錠子概述

1.1 錠子（D32）結構

D32系列錠子作為細紗錠子結構，廣泛應用于國內外市場，由錠桿、定盤、錠底、錠腳、制動器和錠鉤等部分組成。其主體是錠桿與錠盤，兩者通過過盈聯(lián)接成為回轉體[2]。結構如圖1所示。

圖1 細紗錠子結構圖

1.2 錠桿與錠盤壓配工藝

目前國內企業(yè)聯(lián)接錠桿和錠盤的方式主要是用1.5:100的錐度過盈配合，如圖2所示。

圖2 錠桿與錠盤的結合示意圖

過盈聯(lián)接的裝配方法有壓入法、熱脹法和冷縮法。其中，壓入法由于方法簡單，壓裝成本低的特點成為企業(yè)無鍵聯(lián)接的首選方法，其主要方法是將包容件經壓力機直接壓入包容件內。壓入法一般用于聯(lián)接件的配合尺寸和過盈量不太大的場合[3]。針對D32錠子，企業(yè)在錠桿與錠盤裝配中實際裝配的壓入量為3mm，則其最大實際過盈量及最小實際過盈量分別為0.055mm和0.025mm。

如圖3所示，為企業(yè)對桿盤在壓配前的錠桿的4個檢測點，其中精度要求為徑向圓跳動公差均為0.01mm。圖中1、2、3、4分別代表檢測點1、檢測點2、檢測點3、檢測點4。

圖3 桿盤壓配前錠桿檢測部位圖

圖4為桿盤壓配后的4個檢測點，其徑向圓跳度公差分別為：檢測點1為0.01mm、檢測點2為0.02mm、檢測點3為0.03mm、檢測點4為0.01mm。

圖4 桿盤壓配后錠子檢測部位圖

1.3 桿盤材料屬性定義

錠子各部分材料屬性定義如表1所示。

表1 錠子材料屬性

錠桿材料GCr15，由于其力學性能較好，在模擬分析中只需考慮該材料的彈性性能參數(shù)的設置。

HT200作為錠盤材料，由于力學性能較差，在壓配過程中，所受到的應力會超出抗拉的最大極限。因此還應考慮錠盤的彈塑性對問題求解的影響，參考表2設置材料的非線性參數(shù)。

表2 HT200壓縮時的力學性能表

2 有限元分析

2.1 實體建模

在數(shù)值模擬中需要模擬的錠子形狀如圖1所示。由于錠桿和錠盤均是典型的軸對稱圖形，在分析時可用二維替代三維，既能簡化分析和運算過程，又能保證其模擬精度。在建模時，用自底向上的方法建模。桿盤結合件的實體模型如圖5所示，圖（a）為未壓配時的中間截面的一半的模型，圖（b）為錠桿錠盤中間面旋轉360°的模型。

圖5 桿盤結合件的實體模型

2.2 接觸處理

錠子在壓配過程中錠桿和錠盤材料表面有接觸，并隨著擠壓的進行，其內部也相互接觸。在ANSYS中需要創(chuàng)建“接觸對”進行分析。本次模擬將錠桿的外表面設定為目標面，用毛坯的表面作為接觸面。兩線位置與接觸對，如圖6所示。

圖6 生成的接觸對

2.3 網格劃分

由于幾何模型已簡化為二維，在分析時應選擇二維的單元，錠桿與錠盤制造的精度要求屬于高精度范疇，且到桿盤的圖形較復雜，故本次分析采用的是PLANE183單元下的自由網格劃分模式。網格劃分示意圖如圖7所示。

圖7 模型與網格劃分

2.4 邊界條件及載荷施加

建立邊界約束條件是有限元分析中的關鍵部分。本文是對桿與盤壓配時的變形情況進行分析，考慮到：①壓配過程中錠桿受到向下的擠壓力；②錠盤受到氣壓機夾持部位的限制；③錠桿與錠盤為過盈連接。最終選定的邊界條件及施加的載荷為：①錠盤周圍施加Y方向約束；②在垂直方向上對錠桿頂部施加約束；③施加桿盤間的約束；④在豎直方向上對錠桿進行剛性位移。錠盤和錠桿的約束位置和方向如圖8、圖9所示。

圖8 錠盤模型的位移約束

圖9 錠桿模型的位移約束

3 模擬結果與分析

3.1 模擬結果

從彈性力學的角度看，等效應力直接影響著零件的強度和壽命。所以把桿盤在各個位置的等效應力作為研究重點。本次試驗模擬分析了壓配量分別為3、2.5、2mm時桿盤的壓配變形。為便于觀察，在模擬應力應變分析圖時，選擇顯示錠桿上部及桿盤接觸位置。圖10、圖11、圖12分別為桿盤接觸狀態(tài)非線性、摩擦系數(shù)為0.1、壓配量分別為3、2.5、2mm的情況下的桿盤接觸等效應力分析圖。

圖10 壓配量為3mm的等效應力分析圖

圖11 壓配量為2.5mm的 等效應力分析圖

圖12 壓配量為2mm的等效應力分析圖

3.2 數(shù)據處理

為能夠直觀的看出錠桿錠盤壓配后的變形情況，可對相應的應力數(shù)據進行處理，得到檢測點處節(jié)點和單元的變形值。由模擬得出的數(shù)據可知，桿盤壓配后檢測點的應力值在其強度極限范圍內，則可用胡可定律計算其應變值：

由應變反推，得到：?l=εl

從而得到變形大小：

在模擬中可知，檢測點2的應力值較大，已超出其彈性范圍。對于不同壓入量下的檢測點，其最大變形?lmax的情況，見表3。

表3 桿盤壓配后各檢測點的評定參數(shù)和計算結果

如表3所示，壓配后幾個檢測點處都產生了變形，其中檢測點2、檢測點3處變形較大，情況與實際生產相符合。桿盤在通過過盈連接后邊緣應力集中的情況與其的外徑尺寸有關，在其他條件變的情況下，錠盤的外徑尺寸越大，應力集中現(xiàn)象越嚴重。由表中可看出，由于檢測點2和檢測點3的直徑尺寸較大，最后的變形量也比較大。因此在錠子裝配設計時要考慮到這些因素，在檢測點2、3處的公差較檢測點1、2大。

3.3 實驗結果對比分析

為驗證有限元分析方法的可靠性，在不改變錠盤結構以及技術要求的情況下，改變錠桿公差，找出3組不同的過盈量。同時在保持不改變原有的壓配工藝的情況下，對這3組錠桿錠盤做壓配實驗。3組錠子的徑向圓跳動測量數(shù)據見表4、表5、表6。

表4 第一組數(shù)據表（壓入量為3mm）

表5 第二組數(shù)據表（壓入量為2.5mm）

從表4～表6中可看出，在檢測點2、3處圓跳動誤差比檢測點1、4要大，同時第三組（壓入量為2mm）徑向圓跳動基本都能滿足公差要求，較第一組（壓入量為2.5mm）和第二組（壓入量為3mm）合格率更高，與模擬仿真結果完全吻合，表明有限元分析方法用于錠子中桿盤的壓配分析中是切實可行的。

表6 第三組數(shù)據表（壓入量為2mm）

4 結語

（1）通過有限元模擬，分析過盈量與錠桿錠盤壓配變形的關系，使其分析過程比計算法更可靠，比實驗法成本低。

（2）定量得出，在裝備D32錠子時較優(yōu)化的參數(shù)：壓入量為2mm，即最大過盈量為0.04mm。即能夠保證錠子桿盤過盈連接的可靠性，又得到變形最小的產品。

（3）對D32錠子的有限元分析及實驗驗證的方法，同樣適用于其他回轉類工件的研究分析。

[1]朱德昭.細紗錠子的現(xiàn)狀與展望[J].紡織機械，2005，（2）：21-23.

[2]陳亞維，李軍.D32錠子桿盤配合過盈量對其精度的影響探析[J].中原工學院學報，2009，20（5）：37-40.

[3]呂躍勇.細紗錠子的技術進步與分析（一）[J].紡織器材，2007，34（6）：423-427.

[4]呂躍勇.細紗錠子的技術進步與分析（二）[J].紡織器材，2007，34（6）：15-19.

[5]李京，范真，陳祖英，等.細紗機錠子有限元分析及減振方法研究[J].現(xiàn)代紡織技術，2015，（6）：9-12.

[6]李黎明.ANSYS有限元分析實用教程[M].北京：清華大學出版社，2005：1，55，140-142．

[7]李景湧.有限元法[M].北京：北京郵電大學出版社，2004：126.

Finite Element Analysis on the Deformation of Pressfitting between Spindle Pole and Spindle Wharve of the Spindle

CHEN Yawei1, ZHANG Wei1, MEI Junge2
(1.Zhongyuan University of Technology, Institute of Electrical and Mechanical, Zhengzhou 450007; 2.Zhongyuan University of Technology, Materials and Chemical Institute, Zhengzhou 450007)

Aiming at the process of the spindle assembly, the spindle pole and spindle wharve in the assembly deformation larger problems, through the finite element analysis software ANSYS on the pressure distribution process simulation analysis change the size of the amount of interference, simulated the pressure of corresponding deformation of stress and strain, surplus amount of rod disc pressure with deformation influence the accuracy of and find out the relative optimization of the parameters of the pressure.

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