基于ABAQUS 的农业机械联轴器静动态特性分析*

张志红 ，刘 洁

（晋中信息学院智能工程学院，山西 太谷 030800）

农业机械联轴器主要由两个轴叉万向节构成，在连接中具有较大的角位移以及镜像位移的补偿参数。在应用中，可以根据操作要求对农业机械联轴器进行标准化的安装，根据安装基准进行位移偏差等相关参数的控制以及调整优化，则可以提高安装质效[1]。基于ABAQUS 对农业机械联轴器静动态特性进行模拟分析，了解各项参数以及不同状态中的变化，对于农业机械联轴器性能优化具有重要价值。

1 农业机械联轴器性能分析

在农业机械联轴器中，滚针轴承整体造型独特，在应用中不容易受到农机设备环境等因素的影响，整体结构不易出现磨损，具有良好的耐磨性能。如果出现问题，更换滚针轴承即可继续使用，操作简单便捷。农业机械联轴器在运行中会对补偿角的偏差以及轴向、径向位移等产生相对较小的附加弯矩以及摩擦阻力，这样则可以减少在各个连接位置中产生的磨损等问题，有利于延长农机设备的应用寿命，在运行中通过控制减少联轴器产生的负荷，则可以有效优化整体性能。

在农机设备应用中，农业机械轴是一种重要的万向联轴器。在应用过程中可以实现扭矩的传递以及承载。在运行中受到工作环境以及系统等多种因素的影响，容易出现轴头等位置的磨损，其中产生的应力在轴肩位置相对集中，如果不对其进行优化，提高整体的强度，会增加系统应用的损耗，不利于农机设备的安全稳定运行[2]。因此，基于ABAQUS 软件对农业机械联轴器进行静动态特性综合分析，了解机械轴应力状态，进行联轴器模态分析、联轴器动力学分析、疲劳分析，获得数据，可以实现性能优化。

2 基于ABAQUS 的农业机械联轴器静动态特性分析

ABAQUS 软件是功能强大的进行工程模拟的有限元软件。其在农业机械联轴器的静动态特性中的应用，可以有效解决线性以及复杂的非线性问题。通过系统可以实现对静动态特性的几何形状进行模拟分析，通过模型库对典型的材料功能以及性能进行综合模拟，对金属材质进行通用模拟，可以有效解决农业机械联轴器中存在的应力以及位移等相关问题[3]。同时，基于ABAQUS 软件可以实现对农业机械联轴器静动态特性的综合分析。农业机械联轴器基于ABAQUS 软件可以通过不同的单元模拟分析，深入地了解农业机械联轴器静动态特性的结构现象以及存在的差异性。实现对接头等结构位置的力学行为的模拟分析，了解材料的关系以及特征，通过ABAQUS 软件进行农业机械联轴器疲劳、断裂以及静动态特性的综合分析，具有显著效果。

2.1 有限元建模

单边的万向传动轴主要包括输入、输出以及农业机械轴三个重要的结构。其中，输入与输出轴之间通过相交而形成角度，称为轴间角，由φ表示。轴间角是影响传动比变化的主要因素，在整体呈现匀速转动时，会随着输入段位的变化而出现不同程度的变化。根据机械设计原理进行分析，在角度分别为910°、270°时，输出轴的转矩会达到最大数值。

农业机械万向联轴器运行中受到多种因素的影响，导致其传动中产生的受力状态具有一定复杂性。其中，轴叉与农业机械轴的整体荷载属于分布荷载，在轴向呈现均匀的分布状态。农业机械万向连接轴输入与输出主要通过轴承座经过滚针轴承实现力度的加载，共加载两对力，其主要的大小参数是相同的，但是方向是相反的，主要的轴界面分布荷载会随着接触圆弧通过中心的位置逐渐向两侧位置呈倍数递减[4]。

2.2 建模设置

在建模处理中分析主要运行工况等信息，其中电机设备的额定功率参数为1.5 kW，转速为80 r/min，轴间角则为11°。根据工况进行计算，可以获得仿真加载力以及其扭矩的数值参数，如表1 所示。基于ABAQUS 软件进行对材料性能的分析，获得物性参数，如表2所示。

表1 仿真加载力以及扭矩数值参数

表2 农业机械万向联轴器的物性参数

2.3 联轴器应力模拟边界条件

根据联轴原理，分析农业机械万向联轴器实际状况，对右端机械轴的上下端面进行固定约束性分析处理，其中，在左端的机械轴会受到力偶，通过加载联轴器的方式进行处理，则可以在另一个机械轴上进行扭矩的施加，其参数为179 N·m。根据各项参数进行几何模型的建设，对网格进行划分处理，在模拟中划分了13 588 个实体单元，其中，共有7 290 个单元网格总数。

3 农业机械联轴器静动态特性分析结果

基于结果进行综合分析，通过处理则可以确定各项数值信息。根据动态特性进行机械轴应力状态等相关内容的综合分析，了解主要力学性能，并进行综合判断。

3.1 机械轴应力状态分析

机械轴最大应力参数会随着直径参数的变化而变化。而直径参数为15 mm 时应力变化整体呈现平缓状态。不包括直径参数为11 mm时，其余整体最大应力则要小于农业机械轴的屈服极限，在分析直径参数的大小时受到一定的限制，整体上来说应力越小则获得的效果越佳，对此，可以综合可靠性以及经济性等确定最佳参数为15 mm。轴直径参数为15 mm 时，通过应力云图分析可以发现，农业机械轴产生的最大应力多数在轴肩的位置，而总体的应力则会小于屈服极限，可以充分保障强度要求。

3.2 联轴器模态分析

对联轴器进行模态分析，主要可以了解在系统各个阶段振型中产生的固有频率参数，这样可以有效避免共振等问题的出现。在模态分析的前几个阶段，要确定类型以及各项信息，通过子空间迭代的方式对其进行计算，获得前6 个阶段的模态信息，分别为：205 Hz、210 Hz、1 586 Hz、1 698 Hz、1 733 Hz、2 147 Hz。分析不同阶段中的各项固有频率等信息数据，结果符合要求，在运行中可以有效避免共振等相关问题的出现。基于瞬态动力学角度，可以发现在任意时间段其荷载结构产生的动力学影响模式。而不同材料的属性、不同约束条件也具有一定的差异性，通过计算分析则可以了解具体的信息数据。通过模型分析曲线以及数值波动，则可以确定是否符合标准要求[5]。对不同节点预紧力的变化曲线进行分析，通过模拟分析可以发现，在不同的预紧力情况下，变化趋势并没有显著的差异性。但是随着预紧力的增加会导致角位移的变化。

3.3 疲劳分析

疲劳是材料在特定的点可以承受的扰动应力，在长期循环扰动应力之下会产生裂纹直至完全断裂，由此产生局部永久性的结构变化。对联轴器进行循环荷载加载作用，分析结构材料在疲劳破坏状态之下可以承受的应力以及应变的循环总数，则将其称为疲劳寿命。在循环荷载作用之下，能够导致农业机械联轴器出现疲劳性的损失。随着荷载循环次数的增加会导致其产生的损伤程度持续增加。而在损伤程度达到上限数值时，则会出现疲劳性的破坏等问题，这样会导致农业机械联轴器出现结构失效的问题[6-7]。

为了对农业机械联轴器进行疲劳仿真分析，基于ABAQUS 软件进行模拟分析。将联轴器的信息导入系统，形成S-N 曲线。通过模块进行拓展可以获得材料信息，之后，通过系统的计算获得结果。再将曲线在模型中进行处理，导入瞬态动力学的分析结果，通过模块进行模拟分析，则可以获得在常规状态以及不同的平行不对中程度下，联轴器的疲劳寿命以及主要安全系数[8-10]。

通过分析可以确定在此状态中，联轴器容易出现疲劳损伤等问题，这主要受到循环荷载等作用的影响，容易出现区域性的疲劳损伤问题。基于瞬态动力学进行分析，则可以确定最低疲劳参数为0.53%～4.74%的寿命。通过模型的综合分析，可以进行寿命预测，在处理中可以实现动态数列的检验分析，将其作为原始序列进行差分处理。经过检验，发现当阶数为3时，整体数据平稳。

上述的仿真分析和预测对于确保农业机械联轴器的安全性和稳定性至关重要。

3.4 结论

基于ABAQUS 软件进行农业机械联轴器的模拟分析，根据建模参数进行有限元分析，获得结论如下：

通过碳纤维合金钢进行农业机械联轴器的设计，可以充分满足整体的设计要求，有效控制重量，实现农业机械设备的轻量化发展。在设计中，将农机设备的中间轴设计为中控管的结构，可以有效避免在惯性转矩的作用下产生的不良影响，有效控制并减少产生的附加弯矩以及扭转振动等问题，这样可以切实提高农机设备的整体传动效率。

通过分析可以发现，应力的最大数值会受到直径参数的影响，二者呈现反比的关系。在农业机械轴中，最佳的直径参数为15 mm。在模态分析处理中可以有效避免共振等问题的出现。对联轴器的研究分析发现，在不同的预紧力状态下，角位移和角速度的动态影响变化整体趋势相同。随着预紧力的增大，角位移和角速度的变化幅值也会相应增大，因为联轴器属于钢体结构，会导致角位移以及角速度逐渐趋于稳定状态。

在联轴器出现疲劳损伤时，其主要区域在连接位置，在正常状态下产生的疲劳损伤轻。最低疲劳寿命和安全系数主要受到平行不对中的程度而出现变化，随着程度的加深而减少，但是在程度为0.53%～2.63%时呈现增大的趋势。在程度为3.16%～4.74%时，整体趋于平稳。

4 结语

基于ABAQUS 软件进行农业机械联轴器的模拟分析，能够了解机械轴应力状态，进行联轴器模态分析、联轴器动力学分析与疲劳分析，由此获得相关数据，可以实现性能优化，切实满足农业机械制造与生产的实际需求，有利于现代农业机械化发展。