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轴用弹性挡圈极限转速研究

轴用弹性挡圈极限转速研究

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作者：王升斌合肥工业大学

学位级别：硕士

轴用挡圈又称为轴用卡簧,是一种重要的机械紧固件,其在高转速下的工作性能直接影响机械系统运行的可靠性。研究分析轴用挡圈的极限转速对于指导轴用挡圈的设计、优化和选型以及分析其工作可靠性、避免安全事故具有重大意义。本文选取德... 详细信息

轴用挡圈又称为轴用卡簧,是一种重要的机械紧固件,其在高转速下的工作性能直接影响机械系统运行的可靠性。研究分析轴用挡圈的极限转速对于指导轴用挡圈的设计、优化和选型以及分析其工作可靠性、避免安全事故具有重大意义。本文选取德国Seeger Orbis标准轴用挡圈作为分析对象,以德标DIN471轴用挡圈标准为参考,对轴用挡圈高转速下与轴的接触状况进行了理论分析与实验研究。首先介绍了轴用挡圈与卡簧槽配合安装的几何结构参数。基于理论力学与材料力学基础理论,分析了非等径轴用挡圈在静态接触和动态旋转过程中的结构变化、接触状态及应力分布,发现轴用挡圈径向最厚处所受离心力最大。推导出轴用挡圈径向宽度计算公式和开口大小计算公式,并通过MATLAB软件计算了挡圈与卡簧槽内径圆轮廓以及相应的参数,利用Pro/E建模软件建立轴用挡圈三维模型,在ABAQUS有限元仿真环境中对轴用挡圈与轴的初始接触状况进行仿真,并进行了轴用挡圈与轴的静态接触点测量实验。理论、仿真与实验结果表明,轴用挡圈与卡簧槽的接触状态可简化为三点接触,由此提出了轴用挡圈与轴之间的最先脱离点假设以及相应的径向失效判据。基于所建立的径向失效判据,对轴用挡圈在高转速下的径向位移进行有限元仿真,依据德国弹性挡圈标准DIN471对仿真结果进行分析。结果表明,基于本文所提出的最先脱离点假设,通过仿真分析得到的轴用挡圈极限转速与DIN471标准上的数值误差均低于8%,从而验证了本文所提出的轴用挡圈径向失效判据的有效性。随后,通过将轴用挡圈与卡簧槽的内接触变换为铜片与法兰的外接触,并采用霍尔元件测速与光敏元件引发单片机外部中断的方式,建立了轴用挡圈极限转速测试方法。基于高速电主轴、变频器与铸铁工作台,搭建了轴用挡圈极限转速实验平台,并采用三种不同的实验方案对不同规格的轴用挡圈进行极限转速实验。实验结果表明,1/4圆周接触面积的轴用挡圈极限转速最接近DIN471标准参考值。最后,根据Seeger Catalog给出的轴用挡圈极限转速公式以及本文的分析对轴用挡圈极限转速的优化设计和改良提出建议。论文的研究成果对于我国轴用挡圈新国家标准GB/T 894-2017的制定具有一定的参考价值。

关键词：轴用挡圈高转速工况极限转速有限元分析径向失效 DIN471

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