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基于的硬质合金齿强度分析(2)
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摘要：基于静强度分析结果，以Von-Mises应力作为疲劳分析应力幅，通过专业的Fe-Safe疲劳分析软件来对硬质合金齿作疲劳分析，以硬质合金齿结构疲劳寿命作为评
基于静强度分析结果，以Von-Mises应力作为疲劳分析应力幅，通过专业的Fe-Safe疲劳分析软件来对硬质合金齿作疲劳分析，以硬质合金齿结构疲劳寿命作为评价指标。在疲劳分析中，疲劳寿命LOGLife值表示部件由于疲劳作用直到失效的循环次数的对数值，而安全系数FOS@Life值为一个达到目标寿命时应力的折减系数，表示得出的疲劳寿命结果和预估的疲劳寿命比值。
对3种硬质合金楔形齿模型作了疲劳强度仿真模拟，分析完成后的疲劳寿命LOG云图和安全系数FOS云图分别如图8～10所示。
图8 楔形齿1疲劳强度分析
由图8可知，疲劳寿命LOG最小值位于牙齿顶部边缘，大小为4.252，即实际寿命为104.252≈1.79×104；疲劳安全系数FOS最小值也位于牙齿顶部边缘，大小为0.650，即疲劳寿命结果和预估的疲劳寿命比值为0.650，当载荷谱系数乘以0.650时，疲劳寿命才为1×107，趋近于无限寿命。
图9 楔形齿2疲劳强度分析
由图9可知，疲劳寿命LOG最小值位于牙齿顶部边缘，大小为4.961，即实际寿命为104.961≈9.14×104；疲劳安全系数FOS最小值也位于大轴颈下端，大小为0.795，即疲劳寿命结果和预估的疲劳寿命比值为0.795，当载荷谱系数乘以0.795时，疲劳寿命才为1×107，趋近于无限寿命。
图10 楔形齿3疲劳强度分析
由图10可知，疲劳寿命LOG最小值位于牙齿顶部边缘，大小为5.548，即实际寿命为105.548≈3.53×105；疲劳安全系数FOS最小值也位于大轴颈下端，大小为0.901，即疲劳寿命结果和预估的疲劳寿命比值为0.901，当载荷谱系数乘以0.901时，疲劳寿命才为1×107，趋近于无限寿命。
从分析结果可知，3种硬质合金齿结构疲劳寿命LOG最小值位于牙齿顶部边缘，最小值分别为4.252、4.961、5.548，实际寿命最大的是3号楔形齿，实际寿命最小的是1号楔形齿。
4 硬质合金齿结构优化分析
在3种硬质合金齿的强度分析中，经过静强度分析发现1号楔形齿的强度最小，经过疲劳强度分析发现1号楔形齿的寿命最小。因此，对1号楔形齿结构进行优化显得很有必要。
4.1 硬质合金齿结构分析
针对1号硬质合金楔形齿的结构进行分析，其结构简图如图11所示。楔形齿的结构中，齿顶角为70°，齿顶角越大，齿顶面积越小，导致牙齿齿顶强度降低。因此，考虑对该楔形齿的齿顶角进行优化，将齿顶角减小到60°，增加齿顶接触面积，如图12所示。
图11 楔形齿1结构图
图12 新型楔形齿结构图
4.2 新型硬质合金齿强度分析
对新型硬质合金楔形齿分别做静强度分析和疲劳强度分析，如图13、14所示。由图13可知，新型硬质合金楔形齿的Mises应力主要集中在牙齿顶部边缘，最大应力位置在牙齿顶部641节点处，最大值为1.252 MPa。由图14可知，疲劳寿命LOG最小值位于牙齿顶部边缘，大小为5.469，即实际寿命为105.469≈2.94×105；疲劳安全系数FOS最小值也位于大轴颈下端，大小为0.743 7。
图13 新型楔形齿Mises应力分布云图
图14 新型楔形齿疲劳强度分析
根据新型楔形齿与1号楔形齿强度分析结果进行对比，发现两者Mises应力均主要集中在牙齿顶部；采用新型硬质合金楔形齿后，齿顶最大Mises应力由2 010 MPa下降到1 252 MPa，减少了758 MPa，牙齿结构强度明显提升，降低了牙齿在工作中发生断裂、脱落的风险；疲劳寿命LOG值由4.252增大到5.454，疲劳寿命由1.79×104上升到2.94×105，牙齿工作使用寿命大大增加。
表2 新型楔形齿强度分析结果对比硬质合金齿1号楔形齿新型楔形齿最大Mises应力/MPa 2010 1252疲劳寿命LOG值4.252 5.454疲劳寿命1.79×104 2.94×105
5 结束语
（1）依据屈服准则，对硬质合金齿结构作静强度分析，获得了牙齿结构Mises应力分布情况，发现Mises应力均主要集中在牙齿顶部，且Mises应力最大值位于顶部边缘，对牙轮钻头硬质合金齿结构的合理设计具有指导性意义。
（2）依据疲劳分析理论，对硬质合金齿结构作疲劳强度分析，获得了牙齿疲劳寿命LOGLife值和疲劳安全系数FOS值，对研究牙轮钻头硬质合金齿使用寿命起重要作用。
（3）针对强度最差的1号硬质合金楔形齿进行结构优化，设计出新的硬质合金楔形齿，并作静强度分析和疲劳分析。
（4）根据新型楔形齿与1号楔形齿强度分析结果进行对比，新型楔形齿齿顶最大Mises应力由2 010 MPa下降到1 252 MPa，牙齿结构强度明显提升，降低了牙齿在工作中发生断裂、脱落的风险；疲劳寿命LOG值由4.252增大到5.454，牙齿使用寿命大大增加，保证牙轮钻头的正常使用。
文章来源：《硬质合金》 网址: http://www.yzhjzzs.cn/qikandaodu/2021/0225/486.html