顶驱主轴的热与结构耦合分析

2018-10-12杨琼李健姜红喜

中国设备工程 2018年19期

杨琼，李健，姜红喜

（四川宏华石油设备有限公司，四川成都 610036）

传动件运转过程中，由于相对运动的摩擦生热或高温的工作环境都会产生高热区域，该区域的热膨胀可能影响传动精度，也可能造成意外磨损，导致受力不均，造成结构偏载。以上影响对传动部件的运转都非常不利，甚至可能造成不可预期的事故。因此引入有限元热和结构的耦合分析，在结构设计中提前计入热膨胀的影响，可以为设计机械间隙和控制精度等提供参考。

以某顶驱主轴部件为例，挡圈与下端盖之间的间隙设计只考虑了装配及运转的需求，没有计入热膨胀的影响，在实际使用过程中，由于长时间运行及轴内腔循环泥浆带来的温度，主轴温度升高，导致挡圈随主轴热膨胀产生轴向位移，与下端盖接触，产生摩擦，影响主轴的正常运转。本文以顶驱主轴和挡圈的热和结构耦合分析为例，利用有限元法分析软件建模，对主轴及挡圈进行瞬态热分析，并以主轴瞬态热分析的温度场为依据，计算出主轴的热变形，为主轴部件的设计奠定基础，使设计者在设计阶段就可以预测主轴的温升和热变形情况，并进行必要的改进。

1 有限元模型

1.1 材料设置

主轴材料为40CrNi2MoA，挡圈材料为Q235。材料的杨氏模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，从微观角度来说，则是原子、离子或分子之间键合强度的反映。凡影响键合强度的因素均能影响材料的弹性模量，如温度变化。因此热分析中需考虑材料杨氏模量及导热性随温度的变化，具体参数设置如下表1、表2。

表1 材料杨氏模量

表2 材料热导率

1.2 热分析有限元模型

图1 主轴和挡圈

图1为主轴和挡圈示意图。主轴电机内(图2 A处)温度为100℃，轴承接触位置（图2 B处）分别取200℃、250℃、300℃，内腔（图2 C处）70℃。主轴电机内及轴承接触位置取空气介质对流系数，内腔由于有泥浆循环，取液体介质对流系数。

挡圈外表面（下图3 A处）取电机内温度100℃，内壁（下图3 B处）取主轴对应位置分析得出的温度。所有表面取空气介质的对流系数。

图2 主轴模型

图3 挡圈模型

表3 热分析边界条件

表3为热分析边界条件，其中对流系数（Convection coefficient）是指物体表面与附近空气温差1℃，单位时间单位面积上通过对流与附近空气交换的热量。单位为W/(m2·℃)。表面对流换热系数的数值与换热过程中流体的物理性质、换热表面的形状、部位、表面与流体之间的温差以及流体的流速等都有密切关系。物体表面附近的流体的流速愈大，其表面对流换热系数也愈大。对流换热系数的大致量级：空气自然对流5～25；气体强制对流20～100；水的自然对流200～1000；水的强制对流1000～15000；油类的强制对流50～1500；水蒸气的冷凝 5000～15000；有机蒸汽的冷凝500～2000；水的沸腾2500～25000。

2 分析结果

2.1 热分析结果

从瞬态热分析的结果可以看出（见图4、图5），顶驱轴的温度趋于稳定时，最高温度为轴承接触位置，约230℃，最低温度约70℃。

图4 主轴瞬态热分析云图结果示例

图5 主轴温度变化时间历程曲线示例

2.2 静力分析结果

主轴分析对其上端面全约束，挡圈约束一个端面。为了对比结果，分别分析三种情况：（1）不计入热影响，加载250t （case0）；（2）导入热分析结果，不加250t（case1,2,3）；（3）导入热分析结果加250t载荷（case1,2,3）。

从表4以及图6～图9可以看出，由于热膨胀的影响，轴向受热伸长量接近结构单纯承载时的3倍，径向变形由压缩变为膨胀，不过变形量较小，可以忽略。随着温度升高，主轴各向伸长量逐渐减小。到200℃以上，主轴变形主要受热膨胀影响，载荷对主轴变形影响基本可以忽略。针对这一现象，发现原设计中挡圈与下端盖间隙设置过小，在考虑装配和运转需求的间隙后，还必须设置大于2mm的间隙余量，否则使用中可能造成间隙被吃掉，会影响主轴正常运转。考虑热影响，重新设计挡圈，调整间隙后主轴运转正常。