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复合 钻头 轴承 应力 分析

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本科毕业设计（论文）任务书（由指导教师填写,于毕业设计（论文）开始前一周下达给学生）题 目复合钻头轴承应力分析院系机电工程学院专业年级机械工程及其自动化2011级学号学生姓名孙弘扬题 目来 源科研课题（ ）题 目类 型设 计工程实际（ ）请直接在所属项目括号内打“”（单选）实验研究（ ）教师自拟（ ）软件开发（ ）论 文理论研究（ ）学生自拟（ ）实验研究（ ）结合实际（ ）设计（论文）选题目的及工作任务采用ANSYS有限元分析软件, 采用接触问题的有限元法, 对复合钻头牙轮壳体和轴承内接触受力做分析和研究。对轴承内应力的分布, 轴向载荷与径向载荷的关系, 钻头结构参数、钻压与接触应力和接触面积的关系作论述, 得出轴颈上接触应力的分布规律曲线，优化或者改进轴承结构，提出牙轮和轴承设计应注意的问题。目前资料收集情况（含指定参考资料）1 杨斌. 牙轮钻头浮动套轴承接触应力分析研究D. 西南石油学院, 2005 .2喻开安. 偏心单牙轮钻头轴承接触应力分析J. 石油矿场机械, 2008,(03) .3 邓嵘,马红伟. 单牙轮钻头轴承接触应力分析J. 西南石油学院学报, 2003,(06) .4 史炎. 25t轴重轴箱轴承接触应力分析J. 内燃机车, 2009,(08)5 周秦源. 基于Pro/E和ANSYS的齿轮接触应力的有限元分析J. 沈阳航空工业学院学报, 2007,(04)6 董惠敏,姜立学. 轴、孔接触面荷载分布研究J. 大连理工大学学报, 2010,(06) .其余资料根据需要自主查阅设计（论文）的进程安排序 号设计（论文）各阶段内容起止日期1查阅资料、进行阅读和分析研究3月1日-3月10日2在此基础上进行开题报告的撰写及准备开题答辩3月11日-3月14日3钻头工作原理的研究；同时进行外文资料的翻译工作 3月15日-3月25日4钻头建模，接触有限元分析3月26日-5月20日6进行论文修改，准备参加毕业论文答辩5月21日-6月10日7毕业设计评阅、审阅、答辩6月11日-6月25日设计（论文）的预期结果学生充分了解钻头工作原理，通过国内外文献检索，英文文献翻译，计算机辅助分析及论文的撰写，掌握复合钻头轴承原理、结构和失效形式及原因。综合使用钻头过程中发现的问题，对牙轮壳体和轴承内应力的分布, 轴向载荷与径向载荷的关系, 钻头结构参数、钻压与接触应力和接触面积的关系作论述，得出轴颈上接触应力的分布规律曲线，提出牙轮和轴承设计应注意的问题。通过收集整理资料以锻炼学生的自学、查找资料的能力。完成毕业论文一份，锻炼了学生独立工作的能力，能很快适应今后工作的需要。下达任务日期： 2015年 2月 10日 要求完成日期： 2015年 6月10日 指导教师（签名）： 教研室主任（签名）：院系负责人审定（签名）： 分 类 号 密 级 宁毕业设计(论文)复合钻头的设计和有限元分析所在学院机械与电气工程学院专 业机械设计制造及其自动化班 级11机自x班姓 名学 号指导老师 2015 年 3 月 31 日摘 要复合钻头组由复合钻头体、复合钻头大头盖、复合钻头小头衬套、复合钻头大头轴瓦和复合钻头螺栓（或螺钉）等组成。复合钻头组承受活塞销传来的气体作用力及其本身摆动和活塞组往复惯性力的作用，这些力的大小和方向都是周期性变化的。因此复合钻头受到压缩、拉伸等交变载荷作用。复合钻头必须有足够的疲劳强度和结构刚度。疲劳强度不足，往往会造成复合钻头体或复合钻头螺栓断裂，进而产生整机破坏的重大事故。若刚度不足，则会造成杆体弯曲变形及复合钻头大头的失圆变形，导致偏磨。关键词：复合钻头，强度23AbstractThe link group comprises a connecting rod, the connecting rod cover, connecting rod bushing, connecting rod bearing and rod bolts (or screws). The connecting rod group under gas force piston pin came and its swing and piston reciprocating inertia forces, the magnitude and direction of these forces are cyclical changes. The connecting rod by compression, stretching and alternating load. The connecting rod must have enough fatigue strength and structural stiffness. The fatigue strength is insufficient, often caused by fracture of connecting rod or the connecting rod bolt, resulting in destruction of the major accident. If the lack of rigidity, it will cause deformation of round rod bending deformation and the connecting rod, piston, cylinder, cause partial grinding bearing and crank pin.Key Words: rice thresher threshing; improved design;目 录摘 要IIIAbstractIV目 录V第1章 绪论1第2章 复合钻头轴承结构介绍22.1 复合钻头工作原理22.2复合钻头总体设计32.2.1复合钻头的类型定位52.2.2 复合钻头的整机结构及选择72.2.3 复合钻头复合钻头的工作流程9第3章 复合钻头结构设计113.1 复合钻头设计133.2 复合钻头配件设计14第4章 有限元分析164.1 有限元简介164.1.1 有限元强度分析简介164.1.2 非线性分析164.2 前处理174.3 网格划分194.4 边界条件设定214.5 强度分析224.6 强度分析结论25结论26参考文献27致 谢28第1章 绪论复合钻头体由三部分构成，与活塞销连接的部分称复合钻头小头；与曲轴连接的部分称复合钻头大头，连接小头与大头的杆部称复合钻头杆身。复合钻头小头多为薄壁圆环形结构，为减少与活塞销之间的磨损，在小头孔内压入薄壁青铜衬套。在小头和衬套上钻孔或铣槽，以使飞溅的油沫进入润滑衬套与活塞销的配合表面。复合钻头杆身是一个长杆件，在工作中受力也较大，为防止其弯曲变形，杆身必须要具有足够的刚度。为此，车用发动机的复合钻头杆身大都采用形断面， 形断面可以在刚度与强度都足够的情况下使质量最小，高强化发动机有采用H形断面的。有的发动机采用复合钻头小头喷射机油冷却活塞，须在杆身纵向钻通孔。为避免应力集中，复合钻头杆身与小头、大头连接处均采用大圆弧光滑过渡。为降低发动机的振动，必须把各缸复合钻头的质量差限制在最小范围内，在工厂装配发动机时，一般都以克为计量单位按复合钻头的大、小头质量分组，同一台发动机选用同一组复合钻头。V型发动机上，其左、右两列的相应气缸共用一个曲柄销，复合钻头有并列复合钻头、叉形复合钻头及主副复合钻头三种型式。第2章 复合钻头轴承结构介绍2.1 复合钻头工作原理复合钻头机构中的构件有杆状、块状、偏心轮、偏心轴和曲轴等型式。当构件上两转动副轴线间距较大时，一般做成杆状。 带两个转动副的双副杆结构： 带三个转动副的三副杆结构： 杆状结构的构件应尽量做成直杆。有时为了避免构件之间的运动干涉，也可将杆状构件做成其他结构。 带三个转动副的三副杆的结构设计较为灵活，与三个转动副的相对位置和构件加工工艺有关，下图为8种典型结构形式： 2.2复合钻头复合钻头总体设计 复合钻头集团复合钻头身体，复合钻头大头盖骨，复合钻头小头布什、复合钻头大脑袋衬套和杆螺栓（或螺栓）等。复合钻头组忍受活塞销的天然气的作用力本身隔活塞组往返惯性力的作用下，这些能力的大小和方向是周期性变化。所以链接压缩，拉伸等变动荷载作用。链接必须有足够的疲劳强度和结构刚性。疲劳强度不足，往往复合钻头身体和杆螺栓断裂，并且机械全部破坏的重大事故发生。如果刚性不足，杆身体弯曲变形与复合钻头大脑袋的失败圆变形，活塞，汽缸，轴承和曲轴销等偏磨。2.2.1复合钻头的类型定位复合钻头小头多为薄壁圆环形结构，为减少与活塞销之间的磨损，在小头孔内压入薄壁青铜衬套。在小头和衬套上钻孔或铣槽，以使飞溅的油沫进入润滑衬套与活塞销的配合表面。复合钻头杆身是一个长杆件，在工作中受力也较大，为防止其弯曲变形，杆身必须要具有足够的刚度。为此，车用发动机的复合钻头杆身大都采用形断面， 形断面可以在刚度与强度都足够的情况下使质量最小，高强化发动机有采用H形断面的。有的发动机采用复合钻头小头喷射机油冷却活塞，须在杆身纵向钻通孔。为避免应力集中，复合钻头杆身与小头、大头连接处均采用大圆弧光滑过渡。为降低发动机的振动，必须把各缸复合钻头的质量差限制在最小范围内，在工厂装配发动机时，一般都以克为计量单位按复合钻头的大、小头质量分组，同一台发动机选用同一组复合钻头。V型发动机上，其左、右两列的相应气缸共用一个曲柄销，复合钻头有并列复合钻头、叉形复合钻头及主副复合钻头三种型式。2.2.2 复合钻头的整机结构及选择复合钻头组件由复合钻头轴，复合钻头盖，小牙轮，大轴瓦，螺丝等组成，如上图所示2.2.3 复合钻头复合钻头的工作流程 链接的主要损伤的形式是疲劳断裂和过剩变形。通常疲劳断裂部位连接上的3个区域的高应力。链接的工作条件链接的高强度和抗疲劳性能；另外要求很充分的钢性和韧性。传统的链接的加工过程中其材料通常45钢，40 Cr和40 MnB等调质钢、硬度高，所以德国汽车企业的新型复合钻头材料，例如C 70 S6高碳微合金非调质钢，SPLITASCO系列锻造钢，FRACTIM锻造钢锻钢等S 53 CV - FS（以上都是德国din标准）。合金钢非常高强度，对应力集中敏感的。所以，复合钻头外形，过度的公亩等必要严格要求，应该注意的表面加工提高质量疲劳强度，否则高强度合金钢的应用预期效果不能达到。第3章 复合钻头设计3.1 复合钻头原理 复合钻头体由三部分构成，与活塞销连接的部分称复合钻头小头；与曲轴连接的部分称复合钻头大头，连接小头与大头的杆部称复合钻头杆身。复合钻头小头多为薄壁圆环形结构，为减少与活塞销之间的磨损，在小头孔内压入薄壁青铜衬套。在小头和衬套上钻孔或铣槽，以使飞溅的油沫进入润滑衬套与活塞销的配合表面。复合钻头杆身是一个长杆件，在工作中受力也较大，为防止其弯曲变形，杆身必须要具有足够的刚度。为此，车用发动机的复合钻头杆身大都采用形断面， 形断面可以在刚度与强度都足够的情况下使质量最小，高强化发动机有采用H形断面的。有的发动机采用复合钻头小头喷射机油冷却活塞，须在杆身纵向钻通孔。为避免应力集中，复合钻头杆身与小头、大头连接处均采用大圆弧光滑过渡。为降低发动机的振动，必须把各缸复合钻头的质量差限制在最小范围内，在工厂装配发动机时，一般都以克为计量单位按复合钻头的大、小头质量分组，同一台发动机选用同一组复合钻头。V型发动机上，其左、右两列的相应气缸共用一个曲柄销，复合钻头有并列复合钻头、叉形复合钻头及主副复合钻头三种型式。3.2 复合钻头配件设计第4章 有限元分析4.1 有限元简介4.1.1 有限元强度分析简介 数学，有限要素法（FEM，Finite Element）是一种求解微分方程边值问题近似解的数值技术。解的时候全体的问题区域分解，各地区简单的部分，这个简单的部分就和有限的。这是，变分法，误差函数最小值生成稳定解。类比连接多级微小直线近似日元的思想，有限要素法在内的所有可能的方法很多，这些方法称为有限元的小领域上的简单方程相连，其更大的地域，推定上的复杂的方程式。那是解域和许多被称为有限元的小的相互连接子区组成，每单元的假设一个合适的（比较简单的）近似解解，然后推导这个地区的总的条件（如结构的平衡条件），其结果问题解。这是正确理解解，而是近似解，实际问题是比较简单的问题。大部分的实际问题，正确理解难以得到有限元，计算精度高，它不仅能适应各种复杂形状，有效的手段工程分析。位移模式选择有限单元法，选择节点移位作为基本的未知量被称为位移法；选择节点力作为基本未知量称为力法；部分节点力和一部分的节点移位作为基本的未知量被称为混合法。位移法容易实现计算自动化，所以，有限单元法最宽的应用范围位移法。位移法录用的时候，物体或构造物离散化后，单位总的物理量等的位移，应变应力等节点位的一部分表示。这个时候单位位移分布收割迫近原函数的近似函数说明。通常，有限要素法我们位移坐标变量的简单的函数。这个函数被称为位移模式和位移函数。分析单元的力学的性质单元的材料的性质不同，形状，尺寸、节点的数量，位置和意义等标题，单元节点力和节点移位的关系式，组合分析的关键的一步。这个时候应用弹性力学的几何学的方程式和物理的方程式建立力和位移方程式引导，从而单元刚性矩阵，这是有限要素法的基本步骤之一。4.1.2 非线性分析 非线性分析分析研究结构动力特性的一种现代方法，系统的辨别方法是工程的振动的领域的应用。非线性分析机械结构的固有振动特性，每一个模式是特定的固有频率，阻尼比非线性分析振型。这些非线性分析参数计算和考试从分析，取得的计算和考试分析过程被称为非线性分析分析。如果这个分析过程有限元计算方法取了，计算非线性分析分析称；如果考试通过采集系统输入和输出信号参数获得识别非线性分析参数，称为考试非线性分析分析。通常，非线性分析分析，考试非线性分析分析。振动模式的弹性的结构的固有的，全体的特性。非线性分析分析的方法，通过清醒的构造物的容易被影响的频率范围内的各主要模式的特性，那个对应预言结构内外部或内部各种：的作用下发生的实际的振动响应。所以，非线性分析分析结构设计及设备故障诊断动态的重要方法。机械、建筑、航天飞机，船舶、汽车等实际的振动模式各自不同。非线性分析分析提供了各类振动特性研究的有效途径。首先，构造物静止状态人为加振，通过测定加振力和响应双通道快速傅立叶变换（FFT）的分析，任意两点之间的机械导纳函数（传递函数）。非线性分析分析理论考试导纳函数拟合的曲线，认识构造物非线性分析参数，建立从而构造物非线性分析模型。非线性分析叠加原理，已知的各种载荷时间过程的场合，预言结构物的实际的振动的反应过程和反应谱。这十几年，计算机技术FFT分析仪，高速数据采集系统和振动传感器，驱动程序等的技术的发展，得到考试非线性分析分析的迅速的发展的影响，机械、电气、建筑、水利、航空、航天等众多产业部门的重视。已经多种等级，各种原理的非线性分析分析硬件和软件登场。4.2 前处理打开ansys软件，界面如图所示点击Geometry功能选项，将其拖入Project schematic界面，如上图所示在Analysis Systems中点击Static Structural功能选项，将其拖入到Geometry旋向框上面，如图所示，自动生成分析选项界面。导入模型以后，需要对模型赋予材质。本结构中，零部件材质设定为结构钢杨氏模量为2.1e13pa 泊松比为 0.3如下图所示，分别对每个零部件进行材料设定4.3 网格划分区分网格前，用户首先需要对模型中将使用单位设定。单元的属性主要是：单元类型，实常数，材料常数。典型的实常数，厚度，截面，高度，梁的惯性等。材料的属性包括：弹性模量、泊松分布，密度，热膨胀系数等。ANSYS为用户提供了两种网格分割类型：自由与映射所谓的“自由”的体现，不特定的标准，单元形状无限制，生成机体不规律，基本上适用于所有的模型。自由网格生成的内部节点位置比较随意，用户无法控制。操作方法是打开Mesh Tool工具栏的自由选择。用单元形状于是对面是身体依赖网格区分。对面的自由，只有网格是四角形的组合也尽量三角形单元组成，或两者混合。身体有自由、网格单元限制四面体。映射网格区分要求方面和身体的形状，一定规则，且映射面网格只包括三角形的单位和四角形的单位，映射身体网格只包括六面体单元，这就是规则生成单元形状形状，适用规则的脸和身体。网格映射分，生成单元尺寸依靠，当前DSIZE ESIZE，KESIZE，LESIZE和ASIZE设置。Smartsize不能用于映射网格区分。使用时硬时，不支持映射网格的区分。这方面是3或4条线围起来，腋下相等的单元的分割数必须。如果这方面3条线围成三条方面的单元的分割数等于是偶数，必须要。对边格数的差别，平等，或网格边数相等，另外的格数的差是偶数，网格区分映射。如果一个方面比4条线围成，那是直接采用映射网格被分为了，但是，总的线数量的减少4，其中的一些线配合（add）和连接（concatenated，一种区分网格时的操作）。代替连接操作（concatenation），拾音器方面的3个或四角点面映射网格，分为它简化的方法的两个分映射网格点之间的内部连接线。为了得到映射网格，必须在一旁指定相等的线的分割数（或定义线的分割数对应的接力方式）。不需要所有的线指定分割数，只要采用映射网格，分程序线的分割数1根边，一边传达传达给所有的旁边的网格方面）区分身体映射网格：为了一个人分割六面体单位，必须满足了块形状（六面体）、5面体和四方面的体形对面和定义的单元的分割数必须等于如果身体棱柱形和四面的尺寸，三角形方面的单元的分割数是偶数相对缘区分的学分，必须等于导入模型以后如上图所示，打开主界面,对模型进行网格划分，点击mesh功能旋向，右击插入mesh方法，选择sizing，即设定网格大小。设定整体网格大小为1mm。点击mesh，软件对模型进行网格划分，划分结果如下图所示：可以看到最终网格划分效果，以及网格数量，如下图：如图所示，网格总数量为487658，节点数量为170523网格质量1004.4 边界条件设定网格划分完毕需要对整体装置进行边界条件设定，如下图所示，为模型固定条件，即模型中某些零部件进行固定设定。设定轴承外圈上与小棍接触部分为固定。即fixed support另外设定约束条件，即受力载荷或者位移载荷设定与轴承外圈接触的冷碾辊部分以及外部受力打小为500N如上图所示4.5 强度分析点solve，软件对模型进行计算，最终计算结果如下图图上分别为主应力，位移，应变值。4.6 强度分析结论 牙轮在长期运行过程中，轴颈表面受到胀套的挤压力和复合机械力的作用，将导致其永久性变形，直径或缩减0.1mm0.3mm。进而导致机械胀紧配合力度达不到要求的缩紧力，牙轮与主轴之间出现配合间隙，引起了牙轮的磨损。由此可知在设计过程中需要注意以下几点：1 减小轴与外壳的磨损.2减小轴与外壳的摩擦使得轴转动更灵活3起到固定轴的作用。4在条件差的环境中使用。5无油润滑的情况下使用轴承拆下后拟继承运用时，应选用恰当的装配工具。装配过盈配合的内套圈，只能将拉力加在该套圈上，绝不许可通过滚动体(外圈)传递装配力，否则滚动体和滚道都会被压伤。轴承装置时，必需在套圈端面的圆周上施加均等的压力，将套圈压入，不得用鎯头等工具间接敲击轴承端面，免得伤害轴承。在过盈量较小的状况下，可在常温下用套筒压住轴承套圈端面，用鎯头敲打套筒，通过套筒将套圈平衡地压入。假如少量量装置时，可采取液压机。压入时，应保障外圈端面与外壳台肩端面，内圈端面与轴台肩端面压紧，当过盈量较大时，可采取油浴加热或感应器加热轴承方式来装置，加热温度规模为80-100，最高不能超越120。同时，运用螺母或其它恰当的方式紧固轴承，以避免轴承冷却后宽度方向压缩而使套圈与轴肩之间发生间隙。结论一、总结第一部分，文献资料的搜集与整理。通过专利网、文献库和老师给的资料，了解了当前主流的几种机车转向架助推器类型。然后根据文献资料，综合分析每种助推器的优劣，综合比较借鉴，初步确定采用撬棍杠杆式助推方式。第二部分，确定局部和整体方案。进一步分析撬棍式助推器的助推方式，及需要哪些相配合的机构，将助推器分为执行系统、系统和驱动系统三部分。然后先对执行机构进行理论受力分析，分析其位移量。借此计算出部分齿轮减速的比和需要的电机的转矩，从而确定电机选型，至此部分和驱动部分也同时确定下来。第四部分，各部件具体机构设计和校核。根据前面三章的内容，确定执行系统、系统各部件的具体结构尺寸，确定轴上零件的定位和装配方式，最后选择合适的轴承并对各部件进行校核。二、设计的不足之处 这次的设计还只是阶段性的，助推器的结构还可以进行局部优化，中间的系统也有很多不同的方案可以选择，比如选择齿轮代替链传， 三、个人体会毕业设计是大学四年期间最后一次正式的机构设计了，可以说是跨出大学校园的最后一步。需要考察自己大学期间学习的各项专业技能和课程知识，并且要综合运用，对自己也是一次全面的提高。因为考研的关系，很多时间被占用了，所以毕业设计的时间比较紧，中间过程略显仓促。刚开始做课题使并没有什么头绪，不知道从哪里下手。就像无头的苍蝇，这里做一些，那里做一些，其中受力分析就做了很多遍，事实证明这些都是无用功。后来跟指导老师沟通了很多次，确定下来步骤。先综合分析助推器的总体结构，分成几部分，比如驱动、执行部分，这样就有了一个大的方向。因此，我体会到初步设计必须确定每一部分的工作，由大到小，先分析结构，再对结构的运动和动力性能综合分析，不断的修正、不断的改进，这样才能做出完整的设计。参考文献1杨颖萍，施俊俊，孙英彪.客车转向架构架焊修工艺的探讨A.第十四届全国机械设计年会论文集C.中国机械工程学会，2008.2苍松.动车组转向架虚拟装配技术的研究与应用D.辽宁：大连交通大学，20093Http:/www.easymover.it/en/pusher.php,5-20/2013-5-204Gregory James Newell. Materials handling device and system. P.U.S. Patent No.7168514B2,Jan.30,20075Http:/www.fetec-papier.de/Easy_Mover_-_Rllentransportger/Details_Easy_Mover/details_easy_mover.html,5-20/2013-5-206Http:/,5-20/2013-5-207濮良贵，纪名刚，陈国定等.机械设计M.第八版.北京：高等教育出版社,2006,58王昆，何小柏，汪信远.机械设计、机械设计基础课程设计M.北京：高等教育出版社，19969. 黄志新，刘成柱ANSYS Workbench 14.0超级学习手册 10. 刘鸿文材料力学 11. 胡小华；, 摩托车发动机复合钻头疲劳可靠性分析及寿命预测, 重庆大学硕士论文, 2014 12. 王立峰, 发动机曲轴复合钻头机构动力