基于Workbench的链条抽油机链板疲劳寿命分析

1、基于Workbench的链条抽油机链板疲劳寿命分析*基金项目：国家重大专项（2011ZX05048）；湖北省高等学校科技创新团队计划项目/T200906。作者简介：袁新梅（1979-），女，河南虞城人，2002年大学毕业，硕士，讲师，主要从事机械产品设计方面的教学与研究工作。袁新梅1 董小庆2 施廷锋3 贺金满3 曾运运1（长江大学机械工程学院，湖北荆州 434023；2.中石化石油工程机械有限公司第四机械厂，湖北荆州 434024；3.荆州市巨鲸传动有限公司，湖北荆州 434000）摘要：为了研究链条抽油机链板的疲劳寿命，本文以LCJ12-5-14型链条抽油机链板为研究对象，利用ANSYS

2、Workbench对链板进行了静强度分析，在此基础上分别采用理论方法和数值模拟方法对链板进行了疲劳寿命计算，两种计算方法结果获得的链板疲劳安全系数均满足设计要求，且两种方法计算结果疲劳安全系数差异率仅为5.2%，表明采用Workbench对链板进行疲劳寿命数值模拟具有较高的可信度。关键词：链条抽油机；链板；疲劳寿命；有限元法Fatigue Life Analysis for Chain Plate of Chain Drive Pumping Unit Based On WorkbenchYuan Xinmei1 Dong Xiaoqing2, Shi Tingfeng3, He Jinman

3、3, Zeng Yunyun1(1.School of Mechanical Engineering, Yangtze University, Jingzhou 434023, 2. SJ Petroleum Machinery Co., SINOPEC, Jingzhou 434024, 3. Jing Zhou Jujing Transmission Machinery Co.,Ltd, Jingzhou 434000)Abstract：In order to study the fatigue life of the chain drive pumping unit chain plat

4、e, the chain plate of the type of LCJ12-5-14 chain drive pumping unit as an example, the static strength analysis is carried on by the ANSYS Workbench. The fatigue life of the chain plate is analyzed by the theoretical method and numerical simulation method respectively, and the fatigue safety facto

5、rs meet the design requirement. The difference rates between two methods is only 5.2%, the result shows that the fatigue life analysis of the chain plate has high credibility use Workbench.Keywords：chain drive pumping unit; chain plate; fatigue life; finite element method链传动作为机械传动中啮合传动方式之一，在工程设备中应用极

6、为广泛。链条链板是链传动重要的零部件之一，其在工作过程中承受着交变载荷作用，其疲劳性能对链条安全可靠的运行具有很大的影响，相关的研究者对链板的疲劳性能进行了广泛的研究。链传动研究所蓝宏等通过链板的选材、加工精度及热处理等方面进行了深入的研究，获得了提高滚子链链板疲劳寿命的工艺参数1；国家链条质量监督检验中心许树新等研究了链板理论应力集中系数对其疲劳可靠性的影响2；中国石油大学（华东）催学政等研究了抽油机外链板与销轴过盈量对抽油机套筒滚子链条链板疲劳强度的影响3。通过研究者的研究成果可以看出，链板的疲劳寿命与链板的设计、加工制造及装配等很多因素均有着重要的联系。为了提高链板工作过程中的疲劳性能，

7、本文以链条抽油机链板为研究对象，采用ANSYS/Workbench对其疲劳寿命进行仿真分析，本文采用的分析方法对改善链板的疲劳寿命和结构优化设计具有积极的意义。1链板静强度分析1.1链板受力分析本文以LCJ12-5-14型号气动平衡链条抽油机所用链条为例，对其链板进行分析研究。本文研究的链条抽油机所用轨迹链条为160H-2型号重载系列双排石油钻机传动滚子链，根据链条抽油机的实际工作情况可知，在不考虑摩擦力的情况下，链条承受的最大拉力为39kN4。1.2链板几何模型根据滚子链链板的结构可知，链板有两条相互垂直的对称轴，同时链板工作时载荷也关于对称轴对称，因此在有限元分析时，为了简化计算，在Wor

8、kbench/DesignModeler里取链板的四分之一建立其几何模型，如图1(a)所示。1.3链板材料属性链板所用材料为35CrMo，其相关物理属性如表1所示。表1 链板所用材料物理属性表材料sb弹性模量泊松比35CrMo835MPa924MPa213GPa0.2861.4链板网格划分为了保证有限元计算精度，对链板的网格划分时进行适当控制，对链板的外表面和体进行了网格尺寸控制，有限元网格划分结果如图1(b)所示，共有61170个单元，263102个节点。(a) 几何模型 (b)网格模型图1 链板模型1.5约束及载荷针对链板几何模型简化原则，对链板两对称面施加对称约束。链板载荷可按照参考文献

9、5-6的方法进行施加，由于Workbench不能进行多元函数非线性载荷施加，笔者在Workbench里通过插入ANSYS APDL模块的commands的方法进行载荷施加。1.6静强度分析结果图2和图3分别为链板静强度分析的整体变形和等效应力云图。由图3可以看出，链板的最大变形处于链板孔内侧顶部，变形最大值为0.011mm，属于小变形范围，满足工艺设计要求。由图3可以看出，链板的最大等效应力处于链板孔右侧边缘位置，等效应力最大值为145.25MPa，且在此区域附近等效应力相对较大，有应力集中现象。由有限元分析结果可知链板的最大等效应力远小于其所用材料的屈服极限，说明链板的结构满足其静强度设计要

10、求，但由于链板在工作过程中承受着交变载荷作用，因此有必要对链板的疲劳寿命进行研究。图2 链板整体变形云图图3 链板等效应力云图2链板疲劳寿命理论计算疲劳失效是由于零件局部应力最大处在循环应力作用下形成微裂纹，然后逐渐扩展为宏观裂纹，从而导致断裂。疲劳失效通常有低应力性、突发性、时间性、敏感性及疲劳断口等特点。机械零部件疲劳失效有高周疲劳、低周疲劳、高温疲劳、热疲劳及腐蚀疲劳等疲劳失效形式。根据链板的静强度计算可以看出，其最大等效应力远小于其材料的屈服极限，其疲劳失效形式属于高周疲劳，因此链板疲劳寿命设计时可采用名义应力法。根据链板所用材料35CrMo的材料属性可知其疲劳极限强度-1=432MP

11、a，根据链板的工作状况，其疲劳安全系数n可用式（1）进行计算 （1） （2）式中：a应力幅；平均应力折算系数；m平均应力；KD对称循环零件疲劳降低系数；K疲劳缺口系数；尺寸系数；1表面加工系数。根据链板的静强度计算结果及结构特征，查阅机械设计手册可获得上述系数的数值代入式（1）可得由以上计算结果可知，链板疲劳强度满足设计要求。3链板疲劳寿命数值计算3.1链板材料S-N曲线材料的S-N曲线作为疲劳寿命计算的基本数据，可用式（3）表示 （3）链板所用材料为35CrMo，当存活率p=90%时，式（3）中ap=16.3897和bp=-4.5378，代入式（3）得 （4）将式（4）对应的数据输入Work

12、bench中，获得其S-N曲线，如图4所示。图4 35CrMo材料S-N曲线3.2链板疲劳寿命计算结果根据链板的工况可知，其应力比R=0，因此载荷采用恒定振幅及比例进行施加。疲劳寿命分析过程中平均应力对疲劳强度的影响具有非常重要的作用，这种影响通常采用极限应力线图进行表示，Workbench中有3种极限应力线图，分别为Goodman直线图、Soderberg直线图及Gerber直线图。Goodman理论适用于低韧性材料，但对压缩平均应力没能做修正；Soderberg理论比Goodman理论更保守，并且在有些情况下可用于脆性材料；Gerber理论能够对韧性材料的拉伸平均应力提供很好的拟合，但它不

13、能正确地预测出压缩平均应力的有害影响7。由于链板所用材料属于韧性材料，且所受应力基本为拉应力，因此分析过程中选用Gerber直线模型。根据以上设置，在Workbench中对链板进行了疲劳寿命分析，图5为链板的疲劳寿命云图，图6为链板疲劳安全系数云图。由图5可以看出，链板的整个模型应力循环次数都达到了107，按照机械设计规定，说明本链板为无限寿命，疲劳寿命满足设计要求。图5 链板疲劳寿命云图由图6可以看出，链板最小疲劳安全系数处于链板孔右侧边缘位置，与链板最大等效应力位置相同，疲劳安全系数最小值为1.753，大于链板所用材料的许用安全系数1.5，表明本链板疲劳安全系数满足设计要求，且数值计算的疲

14、劳安全系数与理论计算值相差仅为5.2%，说明采用本文所述的数值模拟方法对链板进行疲劳寿命分析具有较高的可信度。图6 链板疲劳安全系数云图4结论1）本文采用ANSYS Workbench对链条抽油机链板进行了静强度分析，获得了链板的最大等效应力为145.25MPa，分析表明本链板静强度满足设计要求。2）在链板静强度分析基础上，分别采用理论方法与数值模拟方法对链板的疲劳寿命进行了计算，两种方法获得链板疲劳安全系数分别为1.662和1.753，疲劳安全系数均满足设计要求，且两种方法计算结果差异率仅为5.2%，说明采用Workbench对疲劳寿命进行数值模拟具有较高的可信度。参考文献1 蓝宏，金昌，黄梅影响滚子链疲劳寿命的主要因素J吉林工业大学学报，1997，27（3）：30332 许树新，金昌，柴邦衡改善滚子链链板疲劳可靠性的研究J机械设计与制造，1995，（6）：13153 崔学政，吴新晓，周先军抽油机套筒滚子链条链板疲劳强度计算J机械设计，2005，22（12）：21234 陈荣振链条抽油机滚子链传动的设计计算J石油