基于ANSYS的轨枕螺栓电动扳手芯轴可靠性分析

赵 军，孟欣佳，张立香

(1.山西机电职业技术学院，山西 长治046011;2.中国农业大学工学院，北京100083)

电动冲击扳手是用于螺栓、螺母装卸机械化的高效工具，广泛应用于机车、建筑、化工、冶金、坦克等行业。芯轴作为电动冲击扳手的核心部件，芯轴的失效将直接导致扳手无法工作。芯轴的传统设计是采用材料力学的方法来完成的，而优化和可靠性分析都是靠一些经验来完成。为此在芯轴的设计过程中不免要造成尺寸的偏大及优质材料的浪费。随着计算机仿真技术的迅速发展，采用计算机进行合理的可靠性分析便显得十分方便［1]。

1 电动扳手冲击机构结构

以轨枕螺栓预紧用电动扳手的冲击结构中的芯轴为研究对象。电动扳手的冲击结构如图1所示。

该电动冲击扳手是通过电动机、减速器带动冲击机构运作，从而完成铁路轨枕螺栓的装卸工作。它将行星齿轮减速机构作为主传动机构，可保证冲击扳手体积小、重量轻，使电动扳手传递功率大、扭矩输出较稳定、冲击小，并能较好地实现对电动扳手扭矩和转速的控制。如图1所示，该冲击机构主要由芯轴、冲击头、滚珠、主压力弹簧、推力滚珠轴承、冲击杆等组成。其中芯轴采用V型槽结构，冲击头采用人字槽结构并带有两个凸爪。冲击机构的作用主要有两个，一是将芯轴旋转的动能转换成冲击头的冲击力，二是确保芯轴上的负载力矩在规定的范围内。

2 芯轴静力学分析

2.1 有限元建模及网格划分

轨枕螺栓电动扳手芯轴结构如图2所示。

本文采用ANSYS有限元分析软件直接建立芯轴的实体模型，为求解方便，在保证不影响分析结果的前提下，忽略倒角、圆角以及人字槽以简化模型，提高模型质量，减少计算时间。建模时，芯轴的回转轴线与ANSYS笛卡尔坐标系的Z轴重合。运用ANSYS参数化建模模块，将芯轴的各轴段直径按参数处理，并对其进行初始化，采用的单位制为国际单位制。

根据芯轴的实体模型特性和受载情况，定义材料的弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，由于不考虑芯轴的惯性力，在此不定义材料的密度。单元选用SOLID185单元，该单元是3维8节点固体结构单元，每个节点有3个沿着x、y、z方向平移的自由度。划分网格时，采用自由网格划分的方式，单元边长为0.002，整个模型共划分159 885个单元，32 218个节点。建立的有限元模型如图3所示。

2.2 施加载荷及约束

芯轴受到的载荷有:驱动力矩T1、阻力矩T2和弹簧力F。加载时将力F转化为面上的压力，施加在芯轴直径为D6至D7的环形端面上。驱动力矩T1的加载是利用“Create Component”命令对输入轴段D7圆周面上的所有节点创建节点组员，然后在节点组元上施加绕Z轴旋转的转矩MZ=T1。同理可在输出轴段D4上施加阻力矩T2，在此要保证驱动力矩与阻力矩方向相反，即所加阻力矩为MZ=－T2。

本模拟中只允许芯轴绕回转轴线Z轴旋转，因此对芯轴两个端面施加除ROTZ外的所有自由度。

当施加完载荷与约束后，即可对芯轴进行静力学仿真求解，得到芯轴的Von Mises等效应力(如图4所示)。由图4可以看出芯轴的最大应力发生在输入轴端与弹簧的接触区域。

3 芯轴可靠性分析

将节点的等效应力取绝对值，然后按升序排列，使用*get命令提取应力最大值并赋值给Smax;使用*get命令建立极限状态方程:G=S－Smax。当G＞0时，芯轴处于安全状态;G≤0时，芯轴失效。

整理命令流，生成概率分析文件(.txt文件)，进入ANSYS/PDS分析模块进行可靠性分析。具体步骤为:(1)指定分析文件;(2)设定输入变量和输出变量;(3)选择分析方法;(4)模拟求解。

本模拟中设定的随机输入变量如表1所示，输出变量为G和Smax。

表1 随机变量统计表Tab.1 The statistical table of random variables

ANSYS/PDS概率设计模块提供了两种可靠性分析方法:蒙特卡罗(Monte－carlo)模拟法和响应面法［2]。蒙特卡罗模拟技术是概率分析中最常用的方法，它清楚地模拟实际问题的真实行为特征。一个仿真循环就代表一个加工制造的零件，该零件承受一个特定系列的载荷和边界条件的作用［3－4]。模拟次数越多，说明抽样数目越大，精度就越高［5]。在ANSYS中，蒙特卡罗模拟技术可以选择直接抽样或拉丁超立方抽样(简称LHS抽样法)进行分析。LHS抽样法具有抽样“记忆”功能，可以避免直接抽样法数据点集中而导致的仿真循环重复问题［6]。因此，本文选择 Monte－carlo中的LHS抽样法进行仿真分析。

为获得较高的模拟精度，取模拟样本次数为1 000次，得最大等效应力的抽样过程如图5所示。图5中，最大等效应力随着抽样次数的增加逐渐趋于平稳，说明采用的循环次数足够。

4 结果分析

4.1 可靠度分析

可靠度是产品在规定的时间内和规定的条件下，完成预定功能的概率，是衡量可靠性水平高低的重要指标之一［7]。由可靠性理论可知，求一个结构的可靠度就是求极限状态方程大于零的概率。因此，极限状态方程G＞0时的概率，即为芯轴的可靠度R，即R=P(G＞0)。

经过计算分析后，可以查看置信度为0.95时，极限状态方程G＞0的概率，计算结果如下:

结果表明芯轴在模拟样本为1 000，置信度为0.95 时的可靠度为0.999 996，接近于1，说明该设计具有很高的可靠性。

4.2 灵敏度分析

概率灵敏度是一个非常重要的参数，通过该参数可以查看随机变量对可靠度的影响程度。在设计和制造过程中，应严格控制这些参数，得到更可靠、质量更好的产品。

图6是由“Spearman Rank”表示的芯轴可靠度对随机输入变量的灵敏度图。

条状图按灵敏度的大小，从左到右依次排列，0刻度以上的表示可靠度与该参数成正比，0刻度以下的表示可靠度与该参数成反比。饼状图从90°轴线开始，按灵敏度的大小，顺时针旋转排列，饼状图只能反映随机变量对可靠度的影响程度，而不能反映可靠度的变化规律。通过ANSYS/PDS输出文件可查看各随机输入参数的灵敏度数值(如图7所示)。

图7中，正值表示芯轴可靠度随该参数的增大而增大，负值表示芯轴可靠度随该参数的减小而减小，数值大小表示该参数对芯轴可靠度的影响程度。参数S的改变对芯轴可靠度的影响比例为0.993，参数F的改变对芯轴可靠度的影响比例为－0.157，说明随机变量S对芯轴的可靠度影响程度最大，且随参数S的增大而增大。

5 结论

当设计无法满足可靠度要求时，可根据各参数对芯轴可靠度的影响规律对各参数进行修正，使芯轴的可靠度达到设计的要求。本研究为改进轨枕螺栓电动扳手芯轴的设计，提高芯轴的可靠性提供了参考，具有一定的现实意义。

［1] 高 晖，王延遐，董 敏，等.基于ANSYS活塞头部的可靠性分析［J] .农业装备与车辆工程，2011(3):15－17.

［2] 宫恩祥，黄铭科，叶 娟，等.基于ANSYS的液力透平轴可靠性分析［J] .石油机械，2011，39(1):39－ 42.

［3] 施卫东，颜品兰，蒋小平，等.基于ANSYS/PDS的泵轴可靠性分析［J] .排灌机械，2008，26(5):1－4.

［4] 张爱华，任工昌.基于ANSYS的概率设计的高速电主轴抗共振的可靠性分析［J] .机械设计与制造，2010(7):112－114.

［5] 叶勇，郝艳华，张昌汉.基于ANSYS的机构可靠性分析［J] .机械工程与自动化，2004(6):63－65.

［6] 张洪才，何 波.有限元分析 －ANSYS13.0从入门到实战构［M] .北京:机械工业出版社，2011.

［7] 孙志礼，陈良玉.实用机械可靠性设计理论与方法［M] .北京:科学出版社，2003.