(整理)主轴系统仿真分析及优化设计..pdf

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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

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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：

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：

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（1）、45号钢分析结果：

图1变形云图

图2应变云图

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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0.47mm.

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！

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（2）、40Cr分析结果：

图1变形云图

图2应变云图

图3应力云图

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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！

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（3）、20CrMnTi分析结果：

图1变形云图

图2应变云图

图3应力云图

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图4安全系数云图

提示：

A