轴向承载能力

轴向承载能力（精选四篇）

轴向承载能力篇1

灰铸铁对振动的阻尼作用、良好的铸造和机械加工工艺性等使其在发动机机体、变速箱壳体及设备的机座等方面被广泛应用。一般在灰铸铁件上制成粗牙普通螺纹孔,再用钢螺栓与其它零件联接。因可配用较高强度的标准件钢螺栓,所以螺纹副的承载能力取决于灰铸铁螺纹孔。灰铸铁不具有较高的强度,更需合理利用其螺纹孔的承载能力。因实物螺纹联接的特点而难以对螺纹做应力检测。本文用ANSYS软件的接触非线性应力仿真功能,探讨灰铸铁螺纹孔的应力特点及轴向承载能力。

2 有限元仿真模型

根据灰铸铁件上承载螺纹孔的常用规格,分别做公称直径12mm、螺距1.75mm的M12和公称直径20mm、螺距2.5mm的M20粗牙普通螺纹的螺纹副模型。参考GB/T41-2000标准中的螺母厚度,M12和M20螺纹副的旋合牙数分别为6牙和7牙。因螺纹副是轴对称结构,做其轴向剖面的二维模型。采用PLANE182单元类型,并细化螺纹部位的网格。螺栓与螺纹孔之间设为CONTA172与TARGE169单元的面接触对。螺纹副的摩擦系数为0.15。灰铸铁和钢的机械性能如表1。

对M12和M20螺纹孔模型(对应于工件上的螺纹孔部位)的外侧和支承面(与其它零件的联接平面)作固定约束。模拟螺栓的轴向预紧力和拉力负载,按螺纹的应力截面积[4]和150MPa的平均应力,对M12和M20螺栓模型的外端面分别加载12645N和36750N的轴向拉力。其模型、网格、约束和加载情况如图1。在螺纹孔模型上,离支承面最近位置的螺纹牙为第1牙。

为使相同螺纹规格的仿真模型在不同的材料及轴向力下解算的仿真数据之间具有可比性,除表1中机械性能参数的差别外,钢螺栓与灰铸铁螺纹孔组成的螺纹副(以下简称“钢-灰铸铁螺纹副”)和钢螺栓与钢螺纹孔组成的螺纹副(以下简称“钢-钢螺纹副”)的模型、网格和约束等完全相同。

3 应力仿真结果

因灰铸铁的伸长率约0.3%～0.8%,属脆性材料,取最大主应力作分析。其中M12的钢-灰铸铁螺纹副和钢-钢螺纹副的应力仿真云图如图2。最大应力均在钢螺栓最上部螺纹牙的根部,因螺纹形状产生的应力集中,其值明显高于平均应力。

不同材料组成的M12和M20螺纹副在轴线处的剖面应力云图分别如图3和图4,图中对螺纹孔每一螺纹牙的最大应力取样,最大应力均位于与螺栓的相应螺纹牙接触一侧的螺纹孔各螺纹牙的根部,均为拉应力。

各螺纹孔每一螺纹牙的最大应力与螺纹牙位置的关系如图5。第1牙的最大应力均为最大,其它螺纹牙的最大应力随其渐离第1牙而递减。螺纹孔应力较大的第1、2、3螺纹牙的最大应力如表2。

/MPa

4 对仿真结果的分析

由表2中数据,M12灰铸铁螺纹孔各螺纹牙的最大应力,第1牙比第2牙高38.0%,第2牙比第3牙高24.4%。而M12钢螺纹孔分别为高47.5%和高31.8%。M20螺纹牙的应力变化情况与M12相同。可见在应力较大的第1、2、3螺纹牙,灰铸铁螺纹牙的最大应力随其位置的变化率要小于钢。

图6为M12螺纹孔第1、2、3螺纹牙的应力云图,为清晰起见,隐去了螺栓,并将与云图颜色对应的应力显示范围设为0～150MPa。与钢螺纹孔相比,灰铸铁螺纹孔各对应螺纹牙较高应力区的范围明显缩小,应力分布更显均匀。

所以,无论是应力随螺纹牙位置的变化,还是相同位置螺纹牙上的应力分布,都表明灰铸铁螺纹孔的应力状态要好于钢螺纹孔。这是因钢的弹性模量约为灰铸铁的2倍,与钢螺栓组成的螺纹副,其弹性模量的较大差异使灰铸铁螺纹孔的应力分布趋于均匀,应力较大的第1、2、3牙灰铸铁螺纹牙,尤其是应力最大的第1螺纹牙上的最大应力低于相同轴向力下的钢螺纹牙上的应力。

由表2数据,轴向力相同,M12和M20螺纹孔第1牙的最大应力,即整个螺纹孔的最大应力,钢螺纹孔比灰铸铁螺纹孔分别高24.6%和20.5%。

5 灰铸铁螺纹孔的轴向承载能力

对钢-灰铸铁螺纹副仿真模型做加大轴向力的应力仿真。在M12螺纹副模型的螺栓外端面加载12645N的1.23倍即15553N的轴向拉力;在M20螺纹副模型的螺栓外端面加载36750N的1.19倍(即43733N)的轴向拉力。其仿真结果中第1、2、3螺纹牙的应力云图如图7,其最大应力数据如表3,其中作为对比的钢螺纹牙的数据与表2中的相同。

表3中,相同螺纹规格的灰铸铁螺纹孔和钢螺纹孔的最大应力相同,M12螺纹孔均为208MPa,M20均为194MPa,但施加在M12和M20钢-灰铸铁螺纹副的轴向力分别是相应钢-钢螺纹副的1.23倍和1.19倍。所以,配以相同规格的钢螺栓,在螺纹孔的最大应力相同时,加载在灰铸铁螺纹孔的轴向力比钢螺纹孔高19%以上。许用应力相同时,灰铸铁螺纹孔的承载能力明显高于钢螺纹孔。

6 结论

(1)因钢的弹性模量约为灰铸铁的2倍,用相同的钢螺栓,相对于钢螺纹孔,灰铸铁螺纹孔的应力状态得以改善。在螺纹孔的最大应力相同时,加载在灰铸铁螺纹孔的轴向力比钢螺纹孔高19%以上。

(2)在钢螺栓的强度足够,灰铸铁螺纹孔的最大应力不超其许用范围且螺纹规格相同的情况下,以比许用应力相同的钢螺纹孔高19%的静载轴向力确定灰铸铁螺纹孔的静载轴向承载能力,使灰铸铁螺纹孔的强度得以合理利用。

参考文献

[1]GB/T 41-2000,六角螺母C级[S].

[2]GB/T9439-2009,灰铸铁件[S].

[3]徐灏,等.机械设计手册(第1卷)[M].北京:机械工业出版社,1991:2-47.

[4]GB/T3098.2-2000,紧固件机械性能螺母粗牙螺纹[S].

[5]聂毓琴,孟广伟,等.材料力学[M].北京:机械工业出版,2004:19-30.

[6]钱学毅,等.滑动螺旋副螺纹牙根应力有限元分析[J].机械设计与制造,2006(11):132-134.

城镇综合承载能力篇2

提高城镇综合承载能力是党中央根据中国城镇化的实际情况提出的新要求，也是积极稳妥地推进城镇化的根本措施。什么是城镇综合承载能力？如何提高城镇综合承载能力？是我们应该认真研究和思考的问题。

城镇综合承载能力是一个新概念，它不同于以前比较常用的“完善城市功能”一词，它比“完善城市功能”更全面、更直接。从宏观角度上看，它既包括物质层面的自然环境资源承载能力，如水土资源、环境容量、地质构造等；也包括非物质层面的城市功能承载能力，如城市吸纳力、包容力、影响力、辐射力和带动力等。从微观角度上看，它是指城市的资源禀赋、生态环境、基础设施和公共服务对城市人口及经济社会活动的承载能力，即整个城市能容纳多少人口，能承担多少就业，能提供多少良好的生活质量等，它是资源承载力、环境承载力、经济承载力和社会承载力的有机的结合体。结合目前我国城镇发展现状，要提高城镇综合承载能力，我认为应当加强以下几方面的工作：

加快推进经济结构调整和增长方式转变。加快推进经济结构调整和增长方式转变，就要从传统的资本拉动型、资源消耗型、管理粗放型的发展模式中走出来，把节约资源作为基本国策，发展循环经济，保护生态环境，更加注重城市建设和资源综合利用的有机统一，将节能、节水、节材、节地和资源综合利用贯穿于城市生产、流通、消费的各个环境，以最小的资源消耗获得最大的效益。同时，开发 1

以核能、太阳能、风能、沼气为代表的新能源技术，并利用价格、税收、财政等政策，激励新能源走出实验室并加以普及，实现可持续发展。

切实做好城镇规划工作。提高城镇综合承载能力要从城镇规划入手，改变过去从城镇发展需要来考虑资源供应的思维模式，根据各地经济社会发展水平、区位特点、资源禀赋和环境基础，根据资源和环境的承载能力来合理确定各地城镇化发展的目标，因地制宜地制定城镇化战略及相关政策措施，引导城镇的合理布局和协调发展。将城镇发展建立在与资源和生态环境相协调的基础上，按照自然环境资源环境条件来谋划城镇发展。

统筹城乡区域发展。城镇的空间分布及规模与经济布局、特别是区域经济的形成密切相关。处理好城市与区域统筹发展、城市与乡村统筹发展的关系, 在更广阔的空间领域研究资源配置问题，在更大范围内实现土地、劳动力、资金等生产要素的优化配置，能够充分发挥城市聚集效益和辐射效益，增强城市的辐射力和带动力，从而提高城镇总体的综合承载能力。因此要统筹考虑经济布局、就业岗位、人口居住、资源环境以及现有开发密度和发展潜力等因素，逐步形成布局合理的城镇化空间格局。鼓励资源环境承载力比较好的区域多发展城市、多积聚资金和人口；对于资源环境承载力已经达到或者严重超过承载力，而且要付出极大的成本才能够提高承载力的地区，要适度限制扩张；人口分散、资源条件较差的区域要重点发展现有城市、县城和有条件的建制镇。注重优化整合城市群，加强分工协作和优势互补，消除低水平盲目竞争，增强城市群的整体竞争力。统筹规划，形成若干用地少、就业多、要素集聚能力强、人口合理分布的新城市群。

加强城镇基础设施建设。完善的基础设施和公共设施、良好的人居环境，是促进城镇经济发展、提高综合承载能力、构建和谐社会的重要基础和条件。在基础设施方面，特别要完善交通、水电、通讯、住宅及教育、科学、文学、艺术、卫生、体育等设施。建设部门应当着力搞好道路、供水、排水、供热等市政公用设施和基础设施建设，研究提高城市基础设施建设统筹管理水平，着力推进优先发展城市公共交通正确战略思想的实施。推进地下管网布设与地下空间利用、推进水资源综合利用的统筹建设、统一管理、综合协调。调整和优化城镇建设投资结构。引导城镇建设资金主要用于完善和配套现有设施，重点加强城市供排水管网、燃气管网、供热管网、共同沟、防灾设施等改造和建设、城市公共交通设施建设、重点流域城市水污染防治设施建设。坚持走以改革促发展的城市发展路子，加大市政公用事业市场化改革力度。更多的考虑引入市场机制，发挥市场对完善城镇基础设施建设的重要作用，增加市政公用产品和服务供给。

提高城市管理水平。规范而高效的城市管理，是推动城市健康发展的关键，是提高城镇综合承载能力的重要手段。要更新城市管理观念，从重视建设轻管理，转变到建设和管理并重，通过加强城市管理，提高城市建设和运行效率。充分运用科技手段管理城市，创

新城市管理方式。加速城市管理信息化，大力发展电子政务，推动数字化、网络化技术在城市工作中的广泛应用。重视城市综合防灾，保障城市安全和正常运行。搞好城市防震、防洪、防空、消防等防灾减灾设施的建设。建立健全各类预警、预报机制，提高应对突发事件和抵御风险的能力。要保障城市供水、燃气、地铁、公共交通等市政公用产品和服务的供给和安全，加强市政公用产品的质量安全监督。

轴向承载能力篇3

关键词：永磁轴承,轴向承载能力,永磁环,磁力,结构设计

0 引言

随着现代科学技术,特别是电子技术、磁性材料和超导材料的迅速发展,磁悬浮技术的理论研究与工业应用开发越来越受到人们的重视。永磁轴承就是磁悬浮技术在工业中的一种应用。永磁轴承是利用永磁体产生的磁场力作用,将转轴悬浮于空间,使转子与定子之间没有机构接触的一种新型高性能轴承。与传统滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比,永磁轴承不存在机械接触,转子可以达到很高的运转速度,具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等突出优点,特别适用高速、真空、超净等特殊环境。另外,永磁轴承可与电磁轴承、机械轴承、空气轴承、超导体磁轴承等相结合,构成各种形式的磁轴承系统,应用范围非常广泛,被公认为极有前途的新型轴承。

上个世纪八十年代,法国Yonnet教授展开了对永磁轴承结构和算法的研究[1,2],这成了现代永磁轴承研究的新起点。目前,国内外对永磁轴承的研究主要分为径向和轴向永磁轴承,研究方法主要集中为等效磁荷法[3~6]、有限元法、虚位移法等。本文主要对径向永磁轴承轴向承载能力进行了分析,并同时对结构进行了优化设计。

1 径向永磁轴承基本结构

径向永磁轴承立体结构图如图1所示,由外环和内环两个永磁环组成。内环和转轴连结在一起,外环和定子连结在一起。转轴和定子之间的斥力使转轴悬浮起来。如图2(a),(b)所示,根据永磁环磁化方向的不同,径向永磁轴承可分为径向磁化和轴向磁化两种基本结构。这两种结构形式作用是等效的,永磁环之间均表现为斥力。

2 轴向偏移永磁轴承承载能力

2.1 定性分析

径向永磁轴承在工作时,转子可能出现轴向偏移。在转子轴向偏移时,由于转子定子中永磁环之间的径向间隙均匀,永磁环周围的磁场可以忽略,两个永磁环可以等同于无限长的两块平行的条形磁铁,两个永磁环组成的系统就可以看成线性系统,每个单元磁体所受的磁力就可以等效于在线性系统中所受的磁力。

径向永磁轴承轴向偏移时建立的坐标系如图3所示。图中O点为轴承中心位置,z轴为轴承轴向,xy平面为垂直轴向的截面,θ为截面上单元磁体dl=Rdθ在外环圆周方向上的位置角。定义fr、fz、kr、kz分别为单元磁体在永磁环线性系统中在径向、轴向所受的单元磁力及单元刚度,Fr、Fz、Kr、Kz分别为整个径向永磁轴承的径向、轴向的磁力和刚度。

单元dl=Rdθ在x方向受力为fr dl codθ,则整个径向永磁轴承在x方向力的分量为,整个径向永磁轴承在y方向力的分量为。由于轴向偏移,两个永磁环平行,fr是常数,于是通过积分可得

同理可得整个径向永磁轴承在y方向力的分量为

因而,径向永磁轴承的整个径向力Fr=0。

这表明整个径向永磁轴承的线性系统模型中产生了径向力fr,相互抵消,从整体上没有表现出来。

对于沿径向方向x方向的微小偏移,则有

同理:对于沿y方向的微小偏移,则有

因此,整个径向永磁轴承的径向刚度

由于每个单元产生的轴向力是平行的,则整个永磁轴承的轴向力和轴向刚度分别为

2.2 承载能力

从公式(5)、(6)、(7)可看出只发生轴向偏移的径向永磁轴承,永磁环之间的磁力和刚度与两块平行放置的无限长的条形磁体之间的磁力和刚度相当。实际上,这是一个二维问题,可以只考虑ox和oz轴,建立起如图4所示的二维坐标。O点P点分别为永磁环1、2的截面中心。永磁环1、2的磁化方向均平行oz轴,截面尺寸分别为2a1×2b1和2a2×2b2。对由强磁材料制成的轴向磁化永磁环可认为其磁荷都集中在永磁环的上下两个端面,磁荷密度分别为1和2,上表面为正,下表面为负。

2.2.1 标量磁势

永磁环2的截面中心坐标P(c,d),则在P(c,d)点处的标量磁势为:

2.2.2 磁力计算

由于永磁环2位于永磁环1产生的磁场中,则永磁环1对永磁环2的磁能积为,式中S2为永磁环2带有磁荷密度σ2的表面,在这个径向磁轴承系统中永磁环1对永磁环2的磁力为。

单元径向磁力和单元轴向磁力分别为

结合(8)式可得出单元径向磁力为

单元轴向磁力

2.2.3 刚度计算

通过fr、fz分别对c,d求导可分别求得磁体的单元刚度kr、kz,其中

式中

公式(11)、(12)、(13)表达了单元磁体的磁力和刚度,再结合公式(5)、(6)、(7)就可以计算出整个径向永磁轴承的磁力和刚度。

3 永磁轴承结构设计

对永磁轴承结构尺寸的确定,可以通过用永磁轴承的表达式(13)研究其刚度是如何随永磁环尺寸变化的。分析刚度表达式可得到下面的结果:

1)通过径向刚度对轴向偏移d求导,可解出d=0,而与b1,b2的取值无关;而当b1=b2(即两个永磁环等高)时,kr取得最大值;

2)同时给定a1+a2的值,当a1=a2(即两个永磁环等宽)时,刚度kr取得最大值;

3)两块永磁环之间的距离越小,它们之间的间隙中产生的磁场越大,为了使间隙中的磁场较大,永磁环之间的工作间隙e=c-(a1+a2)应该尽可能小;

4)相同的永磁材料制成的大小永磁环,有利于永磁轴承工作的平稳。因此为了轴承工作的平稳,永磁轴承中大小永磁环通常选取相同的永磁材料,即大小永磁环端面的磁荷密度σ1=σ2=σ0。

因此,从发挥永磁材料性能和实现永磁轴承平稳工作来讲,两个具有相同截面尺寸的由相同永磁材料制成的永磁环就组成了理想的永磁轴承。

3.1 截面尺寸设计

径向永磁轴承的截面尺寸取决于三个几何参数:e,h和l。由于工作要求,间隙e必须与永磁环所允许的间隙一样窄小。下面着重研究其他两个参数高度h和宽度l对刚度的影响。

3.1.1 高度的影响

在没有轴向和径向偏移的情况下,对于给定的间隙和宽度,如取,径向永磁轴承的径向刚度为

从图5可看出当永磁环的高度增加时,永磁轴承的刚度先达到一个最大值,然后慢慢的减小。我们称最大的高度(hmax)为理想高度。hmax可通过∂Kr/∂h=0求得,用e、l表述如下:

当h大于hmax时,永磁材料不能被充分利用,不能发挥最大的效用,因为永磁环体积的增加,而永磁轴承的刚度却降低了。A点的hmax给出了永磁轴承所能利用的最大刚度。在实际工作中,通常取B点的h hmax,这时永磁轴承的刚度仅减小了10%,而永磁环体积却因为h的减半而减少了50%。

3.1.2 永磁轴承截面尺寸的影响

对于一个给定的刚度,通过计算可以确定所需要永磁材料的最小体积。

永磁轴承的工作条件决定永磁环之间的间隙e,计算理想的径向永磁轴承尺寸将是间隙e的函数。因此,对某一要求的间隙e,选择参数和,通过分析下面的表征函数G就可以研究永磁轴承中刚度/永磁环体积的最大值

h=e=l的正方形截面或者h=e=2l的长方形截面。

当使用上述理想的截面尺寸时,轴承刚度与永磁环体积的比值为

刚度最大值为

式(18)、(19)中σ0的单位是T,e、p、l、h的单位是m。这就意味着对1mm的间隙,如果σ0=1T,则每立方厘米的永磁材料所能达到的最大刚度不可能超过11.5N/mm。这个结果表明,对于一个给定的刚度,在计算前可以粗略估算所需永磁材料的最小量。

3.2 永磁轴承截面组合结构

以上数值计算解决了由两个永磁环组成的基本永磁轴承(如图7a)的承载能力的计算问题。在实际工作中,这种基本轴承的刚度往往不能满足工作的需要,这时可以使用组合多对永磁环的永磁轴承来达到提高轴承刚度的目的。理论分析发现使用基本轴承的组合结构(如图7b),整个轴承的刚度成倍增加。如果n是所组合的基本轴承的个数,则组合轴承的总刚度为:

当k增加时,ρ(kh)快速地减小。如果用基本轴承作为参考,整个组合轴承的刚度大约是基本轴承的2n-1倍。相对于n个永磁环的高度值,刚度与所有永磁环体积的比值也翻了一倍。

4 结束语

1)对一定结构形式的永磁轴承,存在永磁环的最大工作高度hmax,hmax对应着永磁轴承的最大刚度,且h2max=2l2+6le+3e2。

2)在实际设计中,通常取,这时永磁轴承刚度大约降低了10%,但永磁环磁体积却因为h的减半而减少了50%。

3)对于给定的气隙,求出了每单位体积永磁环的最大刚度为。

4)为了获得的最大值,永磁环应该选择正方形或长方形的截面尺寸。

5)通过组合基本永磁轴承可以达到成倍提高轴承刚度的目的。

以上结论是以径向永磁轴承为研究对象而推出,但由于永磁轴承的本质属性相同,即永磁轴承都是利用永磁环之间的间隙磁场来工作的,所以以上结论具有通用性,适用于各种形式的永磁轴承。

参考文献

[1]J.P.Yonnet,permanent Magnet Bearings and Couplings,IEEE Transactions on Magnetics,1981,(1):17-21.

[2]JDelamare,E Rulliere,JPYonnet.Classific-ation and Synthesis of PermanentMagnet bearing Configurations[J].IEEE Trans,1995,31(6):4190-4192.

[3]谭庆昌,刘明洁,孟慧琴,等.永磁向心轴承承载能力与刚度的计算[J].摩擦学学报,1994,14(4):337-44.