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江蘇齊寶重工有限公司
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閱讀:24發(fā)布時間:2025-7-15
《水泥》雜志2019年第1期刊登的《聯(lián)軸器內(nèi)孔加熱脹縮情況的試驗及分析》通過設(shè)計巧妙的試驗,準(zhǔn)確地測量出聯(lián)軸器內(nèi)孔的熱變形,也啟發(fā)水泥企業(yè)設(shè)備維修人員要善于探索那些不易認(rèn)識清楚的問題。
對裝配中的熱膨脹進(jìn)行過分析計算,起因是在熱裝配的過程中,出現(xiàn)過因加熱時間不足造成裝配困難的情況。很多水泥同行都想知道:加熱多長時間合適?加熱過程中工件的溫升、膨脹變形量隨時間的變化情況如何?這也就是本文要分析研究的問題。
研究的方法是通過有限元分析軟件ANSYS來進(jìn)行模擬分析計算,分析中的聯(lián)軸器或軸承、齒輪等其他工件(以下簡稱工件)采用油浴加熱,具體的步驟詳述如下。
1.1 工件材料的選取及物性參數(shù)
工件材料選為45#鋼(對于其他碳鋼、合金鋼或鑄鐵材料工件的分析結(jié)果與此相差很小,可以參考該計算結(jié)果),并設(shè)其初始溫度為20 ℃。工件的材料參數(shù)見表1。
表1 工件的材料物性參數(shù)
1.2 設(shè)定工件的幾何尺寸
為簡化建模程序,本次分析設(shè)定工件為圓環(huán)形截面,其幾何尺寸見表2。
1.3 升溫的溫度函數(shù)、油的物性參數(shù)和換熱系數(shù)的計算
設(shè)加熱所用油的初始溫度為20 ℃,加熱溫升速度為0.1 ℃/s,經(jīng)1?000 s加熱至120 ℃,后保溫至10?800 s,其升溫的函數(shù)為:
表2 工件的幾何尺寸
換熱系數(shù)與油的黏度、膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱率、被加熱物體與油的溫度差、被加熱物體的放置方式等有關(guān),以46#液壓油為例計算該油的換熱系數(shù)。
本例中油的平均溫度為:
(20+120)/2=70 ℃
查找70 ℃時該油的物性參數(shù)值,具體見表3。
表3 46#液壓油在70 ℃時的物性參數(shù)
由于該油浴加熱屬大空間自然對流換熱,首先計算格拉斯霍夫數(shù)Gr和普朗特數(shù)Pr,取重力加速度為9.8 m/s2,油與工件的溫度差(Δt)平均為20 ℃,為方便計算工件特征尺寸(L)按0.25 m計算,并設(shè)工件為軸線水平放置,由表3中的已知條件可得:
Gr和Pr的積為205?411?634.42,據(jù)此可取系數(shù)C和n分別為0.13和1/3,計算自然對流努賽爾系數(shù)如下:
最后計算換熱系數(shù):
1)選取單元類型
打開ANSYS選取PLANE13熱結(jié)構(gòu)耦合平面單元,注意要定義該單元的實常數(shù),把“k1"選項定義為“UX UY TEMP AZ"。
2)定義工件材料參數(shù)
按表1填寫工件材料物性參數(shù),注意在填寫膨脹系數(shù)時要同時設(shè)置膨脹量計算的參考溫度為20 ℃,否則膨脹量從0 ℃開始計算。
3)建立工件一模型并劃分網(wǎng)格
按工件一內(nèi)外徑建立模型并劃分網(wǎng)格如圖1所示,另外需要說明的是,在這里建的是一個平面(也就是工件的橫截面),不考慮工件端面的傳熱。
4)加載并分析計算
對關(guān)鍵點7加載X和Y方向的固定約束(該點固定不動,以該點為參考,測定工件內(nèi)孔的膨脹量),對所有單元加載初始溫度為20 ℃,對內(nèi)外圓(也就是工件的內(nèi)圓面和外圓面)加載如上的升溫函數(shù)和換熱系數(shù),選擇瞬態(tài)分析并設(shè)置個載荷步末的時間為10?800 s以及每個載荷步的大小,加載完畢開始分析計算。
1)查看工件的溫度云圖
Ansys提供了多種查看計算結(jié)果的工具,通過“General Postproc∣Read Results"和“General Postproc∣Plot Results"可以查看任何時間點工件的溫度分布云圖,圖2就是1?200 s時工件溫度的分布情況,從圖中可以清楚地看到溫度從外到內(nèi)由高到低的分布情況。
2)查看溫度、膨脹量隨時間的變化曲線
圖1 劃分網(wǎng)格后的工件一截面
圖2 1?200 s時工件-溫度(℃)分布
通過Ansys的“TimeHist Postproc"可以查看溫度、膨脹量隨時間變化的曲線,圖3是306點(內(nèi)孔孔壁上一點)和6472點(壁厚中間一點)在1 h內(nèi)的溫度變化情況,圖4是306點溫度在3 h內(nèi)隨時間的變化曲線及306點相對于關(guān)鍵點7在X軸方向膨脹量(相當(dāng)于工件軸孔直徑的增大量)隨時間的變化曲線。通過以上曲線可以知道工件的溫升和內(nèi)孔膨脹規(guī)律,工件的溫升和時間并不成正比,升溫的開始和最后因油和工件溫差較小,換熱效率低,溫升速度較慢。
用同樣的方法對其他工件進(jìn)行分析計算,得到各個工件溫度及內(nèi)孔沿X軸方向的膨脹量(相當(dāng)于工件軸孔直徑的增大量)隨時間的變化曲線,如圖5、圖6所示。
從圖5、圖6中可以明顯看出,工件的溫升速度以及內(nèi)孔膨脹速度隨工件厚度變小逐漸加快,這說明了表面積與質(zhì)量之比越大,達(dá)到同樣的溫度和膨脹量所需的時間越小。
圖3 工件一306點和6472點在1 h內(nèi)的溫度變化曲線
通過圖4及圖6可以知道各工件裝配加熱所需的參考時間(存在一定誤差),具體見表4。
另外還要說明的是:
(1)表4的時間實際上就是達(dá)到了過盈膨脹量的時間,由于加工的形位公差,裝配還不一定順利,就本例而言,要安裝順利,加熱或保溫還要比以上的時間適當(dāng)?shù)难娱L一點,建議再多保溫10 min左右。
圖4 工件一node306點在10?800 s內(nèi)的溫度變化曲線及相對于關(guān)鍵點7沿X軸方向的膨脹量變化曲線
(2)若出現(xiàn)油的黏度變大、工件與油之間實際溫差小于本例設(shè)定值等原因使換熱系數(shù)變小,或油的升溫速率慢于本例,或工件和油的熱導(dǎo)率小于本例的情況,對同樣尺寸的工件達(dá)到同樣的膨脹量所需的時間也要比本例所需時間長。
圖5 工件二、工件三、工件四、工件五內(nèi)孔某一點10 800 s內(nèi)溫度隨時間的變化曲線
圖6 工件二、工件三、工件四、工件五內(nèi)孔3 h內(nèi)沿X軸方向的膨脹量隨時間的變化曲線
本文雖受物性參數(shù)取值的不準(zhǔn)確以及受ANSYS應(yīng)用軟件的局限,分析的結(jié)果與實際情況會存在一定的誤差,但還是清楚地反映出了不同厚度工件溫升和熱膨脹隨時間變化的規(guī)律,希望讀者能從上面的分析中,得到一些啟示,在實際的工作中,根據(jù)工件的具體尺寸、配合公差、質(zhì)量和表面積的比值等決定加熱或保溫時間,并多總結(jié)經(jīng)驗,以提高裝配技能。
表4 對于各工件在不同配合尺寸情況下油浴熱裝配所需的加熱參考時間
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