何中偉，舒崚峰，錢 瑭

（中國電建華東勘測設計研究院，浙江 杭州311122）

隨著水電行業(yè)的蓬勃發(fā)展以及國內(nèi)水電站規(guī)模的擴張，對水電站專用橋機的載荷和性能要求也逐步提高[1]，因此越來越多人投入到橋機結(jié)構應力及疲勞分析研究中，其中又以減速器研究居多。劉海全[2]在論文中運用Ansys自帶Fatig工具箱對減速器輸出軸進行疲勞分析，但其采用的工具箱過于簡化，尤其在荷載序列方面，只有單向受力，而實際減速機能夠雙向減速；盧黎明等[3]采用基于nCode技術對滾動軸承進行疲勞分析，發(fā)現(xiàn)圓柱滾子軸承和滾滑軸承的圓柱滾子與內(nèi)圈接觸面的損傷比圓柱滾子與外圈接觸面的損傷更嚴重；李光尚等[4]在論文中提到，Gerber模型相較于其他模型，能更有效模擬韌性材料疲勞壽命。本文將針對某水電站橋機減速機輸出軸斷裂問題，基于nCode平臺進行疲勞壽命分析。

1 模型建立

1.1 模型參數(shù)

某水電站橋機荷載為210t/50t，所用減速機型號SNT-160，扭矩為325N·m，輸入軸轉(zhuǎn)速1000r/min，輸出軸轉(zhuǎn)速14r/min。減速機輸出軸具體參數(shù)如表1。

建立減速機輸出軸三維模型如圖1所示。

1.2 材料參數(shù)

輸出軸材料43CrMo，彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.3，屈服強度為930MPa，抗拉強度為 1081MPa，密度為 7.8×103kg/m3，許用應力為790MPa?？刹榈脑摬牧系腟-N曲線如圖2所示。

表1 減速機輸出軸參數(shù)

圖1 減速機輸出軸三維模型

2 有限元理論

Gerber理論[5]能夠?qū)g性材料的拉伸平均應力提供很好的擬合：

圖2 材料S-N曲線

式中：σa為交變應力；σ-1為主應力；σm為平均應力；σb為許用應力。

應變疲勞[6]公式：

式中：σf為疲勞強度系數(shù)，其值近似等價于靜態(tài)拉伸斷裂強度；b為疲勞強度值；εf為疲勞塑性系數(shù)；c為疲勞塑性指數(shù)。

3 有限元仿真

3.1 網(wǎng)格劃分

針對該減速機輸出軸進行網(wǎng)格劃分，輸出結(jié)果如圖3所示，其中節(jié)點數(shù)23652個，單元數(shù)9562個。

圖3 減速機輸出軸網(wǎng)格劃分

3.2 約束和載荷

根據(jù)現(xiàn)場運行工況對減速機輸出軸施加約束和載荷，具體如下：

（1）對軸承施加Cylindrical Support，約束徑向和軸向運動，保證周向自由運動；

（2）軸肩處設置Fix Support，限制整個軸軸向運動；

（3）齒輪處施加旋轉(zhuǎn)扭矩，大小為325N·m；

圖4 施加的約束和載荷

（4）鍵槽處施加固定載荷，方向與齒輪處相反，扭矩保證與齒輪處載荷相同。

3.3 定義時間荷載序列

時間荷載由現(xiàn)場工況決定，其值決定了疲勞分析結(jié)果，針對該水電站橋機現(xiàn)場狀況，減速機需要進行雙向工作，因此定義時間荷載為峰谷值，如圖5所示。

圖5 時間荷載序列

4 結(jié)果分析

4.1 應力變形分析

對上述減速機輸出軸進行仿真計算，從圖6中可以看出，等效應力集中于前兩節(jié)軸根處，又以第二軸根處值最大，為735.86MPa；而鍵槽兩側(cè)根部應力最大值為663.02MPa，兩側(cè)最大值皆小于該材料的最大許用應力790MPa，因此該軸出現(xiàn)斷裂不是應力過大造成。

圖6 減速機輸出軸等效應力云圖（Pa）

從圖7可以看出，減速機輸出軸最大變形量出現(xiàn)在鍵槽前端，為1.3871mm，因為該處是整個軸的受力點；從軸前端到鍵槽根部逐漸減小，因為軸承約束，后方基本不發(fā)生變形。

圖7 減速機輸出軸變形云圖（m）

4.2 疲勞分析

基于nCode平臺進行減速機輸出軸疲勞壽命分析，從圖8中可以很明顯看出，減速機輸出軸絕大部分處于安全區(qū)域，但靠近鍵槽處的根部，為明顯的疲勞脆弱區(qū)，極易受到損傷。

圖9為減速機輸出軸的安全系數(shù)云圖，一般而言，當安全系數(shù)＞1的時候，結(jié)構能夠保證使用到設計壽命，而從圖中可以清晰看到在鍵槽周邊的安全系數(shù)接近0.3，遠遠小于設計所需值1，表明此處在正常工況下，由于荷載反復極易疲勞失效，產(chǎn)生扭曲，嚴重導致斷裂。

圖8 減速機輸出軸疲勞壽命云圖

圖9 減速機輸出軸安全系數(shù)云圖

4.3 試驗對比

在某水電站現(xiàn)場進行真機試驗，采用此結(jié)構作為減速機輸出軸，經(jīng)過長期使用，如圖10，發(fā)現(xiàn)軸發(fā)生偏移，經(jīng)過拆卸后證實在鍵槽根部的兩側(cè)出現(xiàn)明顯裂紋，與上述仿真結(jié)果保持一致，證明該軸確實由于疲勞失效導致斷裂。

圖10 減速機輸出軸現(xiàn)場照片

5 結(jié)論和建議

5.1 結(jié)論

通過構建某水電站減速機輸出軸三維模型進行數(shù)值模擬仿真，并與現(xiàn)場試驗進行對比，得出如下結(jié)論：

（1）該減速機輸出軸在鍵槽根部出現(xiàn)明顯應力集中現(xiàn)象，但在該材料許用應力范圍內(nèi)，強度滿足要求；而該軸頭部出現(xiàn)最大位移為1.3871mm，屬于合理變形。

（2）經(jīng)疲勞壽命分析，該減速機鍵槽根部為脆弱區(qū)域，容宜發(fā)生斷裂；同時根據(jù)安全系數(shù)云圖可知鍵槽周邊安全系數(shù)小于設計要求值1，極易出現(xiàn)疲勞失效，導致輸出軸變形甚至斷裂。

（3）通過現(xiàn)場試驗可知，減速機輸出軸在經(jīng)過長期使用后，鍵槽根部兩側(cè)發(fā)生斷裂，與數(shù)值模擬分析結(jié)果一致，驗證該軸由于疲勞失效導致斷裂。

5.2 建議與解決方法

針對該減速機輸出軸鍵槽根部斷裂現(xiàn)象，提出以下解決方法：

（1）去除鍵槽，鍵槽連接的缺點就是無法承受重型載荷，所以針對大型橋機轉(zhuǎn)動時，不宜采用鍵槽連接。

（2）采用脹套連接，這是新型的過盈連接方式，其連接件制造簡單，且拆裝方便，強度高且具有過載保護能力，不易斷裂。