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信息技术?
汪利霞?万向节十字轴数值模拟及结构改进
万向节十字轴数值模拟及结构改进
汪利霞
(西南石油大学,四川成都610500)
摘要:万向节用于开窗作业主要起传递扭矩和轴向載荷作用,十字轴属万向节易断裂零件。
利用有限元数值模拟方法,对十字轴受扭矩载荷进行分析,发现十字轴的应力集中现象主要集
中在十字轴轴径有落差和两轴相贯的地方。通过対十字轴中间毛坯进行结构改进,并加大轴
颈根部圆弧尺寸,发现应力集中现象得到明显改善,可有效提高十字轴可靠性。
关键词:开窗作业;十字轴;数值模拟;结构改进
中图分类号:T"H133文献标志码:B文章编号:1671-5276(2011)05-0101-02
Numerical Simulation and Structure Improvement of Cross Axle
WANG Li-xia
Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China
Abstract: Universal join as on transfering torque and axial oad. Cross axle is the easy damaged part in the universal joint. This
paper uses ini mm o m e ou ad of cross xe an is e main tss concentrated in the junction of
two axes. Through improving the mile of lank structure, and increasing the arc root size of journal, the stress concentration and
the reliability of cross-axis are significantly improved
Key words casing opening; cross axe; numerical simulation; structure improvement
0引言
套管开窗是连续油管水力喷射射孔技术前一个重要
)
工艺过程,开窗方式采用钻孔开窗,工艺一般为连续油管
+马达+万向节+钻头。其中万向节连接钻头与井下液
压马达,通过导向器进入预定开窗位置进行开窗作业,主
要起传递扭矩与轴向载荷作用。
十字轴属于万向节易断裂损坏零件。目前我国对十
十字轴;2传动轴叉;3一卡环
4一轴承;5一万向节叉
字轴结构设计一直处于薄弱环节,由于没有合理有效的手
段加以综合分析,导致十字轴出现应力集中现象,严重影
图1十宇轴万向节结构
响其使用寿命。为此,本文利用大型有限元分析软件
ABAQUS,模拟十字轴受扭矩载荷时的应力情况,并对结
构进行合理改进。
1十字轴受力分析
十字轴万向节结构简单、工作可靠、传动效率高且允
许所连接的两轴之间有较大交角。通常由万向节叉、十字
轴、轴承等组成(图1)
万向节又和十字轴所受载荷是-对对应载荷,分别是
万向节又的内孔壁和十字轴轴端外壁承受的大小相等、方
向相反的力。图2为十字轴受力示意图?,作用在十
字轴轴颈上的力为:
F=M/2r
其中,M为井下液压马达扭矩;r为作用力半径,即十字轴
轴颈的中点至十字轴中心的距离。该力通常导致十字轴
图2十字轴受力示意图
轴颈根部发生断裂损坏。
作者简介:汪利霞(1985一),女,四川乐山人,硕士研究生,研究方向为石油天然气装备现代设计理论及方法。
Machine Building E Automation, Ot 2011, 40(5): 101-102, 126
101
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2十字轴数值模拟分析
正确建立仿真模型是硏究结果的可靠基础,图3为十
字轴结构模型。由于许多小的倒角、圆角对十字轴强度影
响较大,因此在模型建立时不能被简化掉。
对建立好的模型,采用四面体单元将整个模型离散化
(图4)。赋予十字轴材料40 CRNIMO属性,弹性模量
2. IFS Mpa,泊松比0.3。约東和载荷根据十字轴受力状
况,将四个轴颈其中一对称轴颈施加x,y,z方向全约束,
另一对称轴颈施加压力载荷。
图5十字轴应力
十字轴上所承受的最大扭矩为
力集中的轴颈根部和两轴相贯的地方进行结构改进,主要
M=60P/2Tm=382N?m
其中,液压马达功率P=12kW,转速n=300mih。根方案为加大轴颈根部圆弧尺寸,削减中间毛坏材料,加厚
两轴相贯的部份,图6为改进后的几何模型。
式(1)可以求出作用在十字轴轴颈上的力F=12.7kN,作
用力半径r=15mm=0.015m。将力F以压力载荷的形
式加载到十字轴其中一对称轴须上。
图6改进后十字轴模型
图3十字轴几何模型
仿真设置过程与前面一样,在此不再累述,图7显
的是改进后十字轴应力分布。可以看出,最大应力产生在
轴颈处,应力值为647.84MPa,比原结构降低了338.58
MPa,且满足材料的屈服极限。
平5%)
图4十字轴有限元模型
通过以上各项处理,将模型进行分析计算,得出其应
力云图。十字轴求解后的综合应力分布见图5。从图所
图7改进后十字轴应力
示的应力分布情况可以看出,十字轴的应力集中现象主要
出现在十字轴轴径有落差和两轴相贯的地方,这与十字轴
受力特在完全相同,最大应力达986.4MPa,已经超过+4结论
字轴材料40 CRNIMO的屈服极限835MPa。此外,十字轴
中间毛坯部位应力相对较小,且远低于材料的许用应力,
1)利用有限元数值模拟方法,对十字轴受扭矩载荷
造成大量材料过剩现象。
进行分析,发现十字轴轴径有落差和两轴相贯的地方应力
集中现象严重,而中间毛坯位置应力值相对较小
3十字轴结构改进
2)通过加大十字轴轴颈根部圆弧尺寸,削减中间毛
坏结构,可有效改善应力集中现象,提高使用性能,为实际
根据上述有限元数值模拟仿真结果,将十字轴产生应应用提供借鉴作用。
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