蔣素清

(江蘇財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學院,江蘇,淮安,223002)

優(yōu)化設(shè)計在斗式提升機機械結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用*

蔣素清

(江蘇財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學院,江蘇,淮安,223002)

對頭輪轉(zhuǎn)軸的受力進行分析,確定其受力情況,通過三維軟件Pro/E建立其模型,導入Hyper Mesh中劃分出轉(zhuǎn)軸的網(wǎng)格,完成載荷和約束的施加,導入到ANSYS進行求解,理論驗證剛度符合要求。同時考慮增加提升機主軸的長度的可行性,為以后在實際生產(chǎn)中提供理論依據(jù)。

頭輪轉(zhuǎn)軸 ;Pro/E;Hyper Mesh;可行性

垂直斗式提升機是專門用于連續(xù)垂直輸送散料的設(shè)備,它具有結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、密封性好、生產(chǎn)率范圍較大和提升高度高等顯著優(yōu)點,在飼料和糧食等加工廠中使用極為廣泛。斗式提升機頭輪轉(zhuǎn)軸機頭中重要組成部分,容易失效,本文應(yīng)用Hypermesh軟件對其分析,找出失效點,并提出改進措施[1]。

1 頭輪轉(zhuǎn)軸軸上的載荷分析

(1)主軸自重及安裝在主軸上的零部件重,計算時,將各零部件的重認為是加到各自輪轂中心的集中力。

(2)纏繞在卷筒上的鋼絲繩的重量,將它們簡化為各支輪中心的集中力。

(3)鋼絲繩拉力,鋼絲繩拉力簡化為分配于各支輪中心的集中力及對卷筒的扭矩。

(4)扭矩包括減速器輸出端傳遞扭矩到主軸,鋼絲繩拉力產(chǎn)生的扭矩,卷筒等運動件的變位產(chǎn)生的扭(受力如圖1所示)[2]。

圖1 頭輪轉(zhuǎn)軸載荷示意圖

G—主軸上的零部件、卷筒等自重作用于主軸上的力

F—鋼絲繩拉力

N—支架對軸的反作用力

Te—電動機轉(zhuǎn)矩

2 斗式提升機頭輪轉(zhuǎn)軸三位建模

2.1 模型的導入

將在Pro/E中建立的主軸模型如圖2,導入到有限元軟件 Hyper Mesh中,通過 Spling、Liner drag、Solid map等操作畫出主軸的網(wǎng)格模型如圖3。

2.2 材料定義

在hyper works中選擇ansys模板,進行材料定義,主軸材料為 34號碳素鋼,其彈性模量為205GPa,泊松比為0.3。

2.3 網(wǎng)格的劃分

采用Solid35單元進行網(wǎng)格劃分,大部分單元采用六面體結(jié)構(gòu),并采取手動方式,控制單元節(jié)點密度,以便得到更符合要求的網(wǎng)格分布。

圖2 轉(zhuǎn)軸三維模型

2.4 模型的輸出

在Hyper Mesh中施加約束和載荷,選用ANSYS模板,輸出.cdb格式,導入到ANSYS進行求解[3]。

圖3 轉(zhuǎn)軸網(wǎng)格模型

3 導入ANSYS中,進行邊界和載荷處理

3.1 邊界條件的處理

根據(jù)對提升機工作情況的分析,可以看出在游動卷筒端軸承為固定約束,固定卷筒端軸承在軸向上可以有一些移動。在hyper works中選擇ansys模板,約束處理中,將一端加全約束,另一端加y,z方向的約束。在剖面處,根據(jù)對實際問題的分析,施加對稱約束,即在剖面處只有徑向位移,而無其他方向的位移,故在剖面處施加對稱約束如圖4所示。

圖4 加約束示意圖

3.2 載荷的處理

將上述計算的載荷按不同工況分別加載到模型上。轉(zhuǎn)軸自重及安裝在主軸上部件重,計算時,將各零部件的重認為是加到各自輪轂中心的集中力,豎直和水平方向的力作為集中力施加在各支輪處,扭矩在構(gòu)件中心部位建立一個,定義為MASS21單元,然后跟其他受力節(jié)點耦合,形成剛性區(qū)域,就是用CERIG.命令,然后直接加轉(zhuǎn)矩到主節(jié)點,即中心節(jié)點上面如圖5所示。

圖5 加載荷示意圖

3.3 計算及分析

在ANSYS中分析主軸最大等效應(yīng)力、綜合位移值及其發(fā)生位置如表1所示：

表1 最大等效應(yīng)力、綜合位移值及其發(fā)生位置

表1中分別為六種工況下主軸最大等效應(yīng)力和最大綜合位移,從表可看出六種工況的計算結(jié)果,六種工況下最大等效應(yīng)力發(fā)生的位置都在左軸承臺處,主軸在正常工作情況下的最大等效應(yīng)力值在102.4-120.8MPa之間,最大綜位移出現(xiàn)的位置在軸的中部,最大綜合位移值在0.742-1.062mm之間,而34#鋼最大屈服極限為344MPa,根據(jù)強度理論,軸的強度符合要求。主軸的許用撓度為f=L/3000=3660/3000=1.49mm,所以主軸的剛度也在許用范內(nèi),亦即符合剛度要求[4]。

4 改變主軸長度對主軸的影響

為了達到增加容繩量,提高提升機的提升高度,可以這兩個方面來考慮,一是增加提升機卷筒的直徑,二是同時增加提升機主軸的長度和卷筒的寬度。目前的一般情況是同時增加提升機卷筒的直徑,形成不同型號的提升機,而對同一直徑的提升機同時考慮增加提升機主軸的長度和卷筒的寬度的相對較少,因此本文對同時增加提升機主軸的長度和卷筒的寬度方面做一些研究。在改變提升機卷筒寬度的同時,主軸的長度做相應(yīng)的調(diào)整,其它的裝置,比如像支輪、離合器、聯(lián)軸器等不變化。

圖6 等效應(yīng)力分布圖

圖7 等效位移分布圖

圖6和圖7分別為主軸隨長度變化的等效應(yīng)力分布圖和等效位移分布圖,表6主軸隨長度變化的應(yīng)力應(yīng)變值,從圖6和圖7的曲線圖中可以看出主軸的等效應(yīng)力值和等效位移值都成遞增的趨勢,從表6中的應(yīng)力值變化率和應(yīng)變值變化率相比較,應(yīng)變值的變化率比應(yīng)力值變化率要快一些。從得到的數(shù)據(jù)我們可以知道軸的強度和剛度都符合要求。因此,為了增加容繩量,提高提升機的提升高度,增加主軸長度的方法可行[5]。

5 結(jié)束語

本文首先對頭輪轉(zhuǎn)軸的受力情況進行分析,然后計算轉(zhuǎn)軸在六種工況下的受載情況,確定其邊界情況,通過三維軟件Pro/E建立其模型,導入Hyper Mesh,在Hyper Works中畫出轉(zhuǎn)軸的網(wǎng)格,完成載荷和約束的施加,導入到ANSYS進行求解。計算出六種工況下主軸的最大應(yīng)力值和最大位移值。說明為了達到增加容繩量,提高提升機的提升高度,同時考慮增加提升機主軸的長度和卷筒的寬度的可行性,為以后在實際生產(chǎn)中應(yīng)用提供依據(jù)。

[1]輸送機械與輔助設(shè)備[M].北京：中國財政經(jīng)濟出版社,1992.

[2]李毅.單繩雙筒纏繞式提升機有限元分析及機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[D].重慶大學機械工程學院 ,2009(4)：53～68.

[3]劉梅英等.基于Pro/E的斗式提升機三維建模[J].農(nóng)機化研究,2009(6)：192～194.

[4]郭宏等.用ANSYS軟件對提升機滾筒進行優(yōu)化設(shè)計[J].煤礦機械,2003(12)：13～14.

[5]王中正,李紅強.選煤廠運輸設(shè)備的改造與優(yōu)化[J].選煤技術(shù),2007(2)：47～48.

Application of Optimization Design in Hoisting Machine’s Rotating Shaft Structure

JIANG Su-qing
(Jiangsu Finance&Economics college of vocational technology,Huaian,223002,Jiangsu)

Analyzing the stress of the rotating shaft,to confirm its stress affairs,through 3D software Pro/E to establish model,to divide the grids while leading in Hyper Mesh,finished the load and restrict infliction,leading in ANSYS to find the solution,theory inspect and verify rigidity meet the requirement.at the same time,to think over the feasibility to increase the length of rotating shaft,which will supply theoretical evidence for the future actual production.

Rotating shaft;Pro/E;Hyper Mesh;Feasibility

TH122

A

1672-1047(2010)01-0017-03

10.3969/j.issn.1672-1047.2010.01.05

2010-01-10

蔣素清,男,江蘇財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學院機電系講師,碩士,研究方向：結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化。

[責任編輯：曾 鑫]