賈承宗，辛舟,b

(蘭州理工大學(xué) a. 機(jī)電工程學(xué)院; b. 數(shù)字制造技術(shù)與應(yīng)用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

升降旋轉(zhuǎn)平臺(tái)是鋁錠自動(dòng)生產(chǎn)線中打包捆扎的重要部分[1]，大部分升降旋轉(zhuǎn)平臺(tái)都是輕載荷的，低速升降并以液壓方式運(yùn)動(dòng)[2]，文中所研究的升降旋轉(zhuǎn)平臺(tái)是要求重載荷，中高速，能同時(shí)升降并旋轉(zhuǎn)的復(fù)合平臺(tái)。

升降旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中的絲杠升降器在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)剪臂做上下的豎直運(yùn)動(dòng)[3]；大齒輪同樣在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，通過齒輪嚙合帶動(dòng)升降平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)(見圖1)。升降臺(tái)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于急起和急停過程中，不僅會(huì)對(duì)絲杠升降器造成磨損和消耗，還很容易造成受力不均勻，導(dǎo)致絲杠升降器的使用壽命降低，并且使其升降高度不均勻，從而造成臺(tái)面傾斜使用壽命不到4萬次。因此需要對(duì)旋轉(zhuǎn)升降平臺(tái)進(jìn)行靜強(qiáng)度分析研究[4-6]，獲得較為合理方案，提高使用壽命，并且最終能夠提高穩(wěn)定性和可靠性。

圖1 第一種升降旋轉(zhuǎn)平臺(tái)示意圖

1 升降旋轉(zhuǎn)平臺(tái)螺母絲杠副受力分析

絲桿升降機(jī)為止旋結(jié)構(gòu)，一端固定，一端為支承升降式鋁錠托盤。絲桿升降機(jī)的參數(shù)如表1。

表1 螺母絲杠副參數(shù) mm

根據(jù)上述條件，考慮絲桿升降機(jī)在實(shí)際工作中為動(dòng)載荷，綜合考慮其動(dòng)載荷系數(shù)。由于升降臺(tái)所承載的鋁錠堆垛，每垛有54塊鋁錠，每塊有20kg,再計(jì)算托盤、支架和電動(dòng)機(jī)等其他的重量后，確定軸向載荷G為15 800N。

如圖2所示，綜合考慮其動(dòng)載荷系數(shù)，確定計(jì)算出軸向載荷FAC為7 900N。

圖2 升降旋轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)受力示意圖

以工作臺(tái)為參考對(duì)象：由于系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，因此可得：

ΔM=0

以整體為參考對(duì)象：因?yàn)槁菽附z杠副受到工作剪臂而引起的橫向載荷，其起始角度α為30°，確定計(jì)算出橫向載荷FLC為6 842N。

式中：ΔM為簡(jiǎn)支梁系統(tǒng)對(duì)左端點(diǎn)總彎矩；G為承載；FAC為軸向載荷；FLC為橫向載荷；l為梁長(zhǎng)度。

2 升降旋轉(zhuǎn)平臺(tái)螺母絲杠副有限元分析

在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)絲桿升降機(jī)的失效基本集中在螺母絲杠副上，所以僅對(duì)螺母絲杠副進(jìn)行建模，并對(duì)其進(jìn)行約束加載，通過有限元分析[7]，其應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 載荷作用下螺母絲杠副軸向應(yīng)力云圖

通過有限元應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)，軸向載荷FAC和橫向載荷FLC作用下的軸向應(yīng)力極值為155.04MPa。

3 改進(jìn)后的升降旋轉(zhuǎn)平臺(tái)螺母絲杠副有限元分析

基于上述分析，對(duì)旋轉(zhuǎn)升降平臺(tái)的絲杠升降器進(jìn)行重新分布位置和支撐方式(見圖4)，將絲杠升降器以及控制絲杠升降器的驅(qū)動(dòng)裝置從平臺(tái)右側(cè)移動(dòng)至平臺(tái)中心位置，去除其橫向載荷，但軸向載荷增大一倍。

圖4 第二種升降旋轉(zhuǎn)平臺(tái)示意圖

由于重新分布位置和支撐方式，使得螺母絲杠副只受到軸向載荷FAC為15 800N。

圖5 升降旋轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)受力示意圖

以工作臺(tái)為參考對(duì)象：由于系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，因此可得：

FAC=G=15 800N

對(duì)其進(jìn)行約束加載，其應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 軸向載荷作用下螺母絲杠副軸向應(yīng)力云圖

通過有限元應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)，軸向載荷FAC作用下的軸向應(yīng)力極值為21.82MPa。

基于圖1和圖4這兩種升降旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，分別對(duì)其進(jìn)行軸向應(yīng)力分析，由圖3和圖6可得，第一種升降旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的應(yīng)力極值為155.04MPa，第二種升降旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的應(yīng)力極值為21.82MPa，較之前的應(yīng)力極值下降85.9%，下降幅度非常明顯。由于第一種升降旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中的螺母絲杠副受到一對(duì)橫向載荷，導(dǎo)致螺母絲杠副產(chǎn)生彎曲，所以軸向應(yīng)力大幅度增大。減小絲杠螺母副直接受到的橫向載荷，從而大大提高了絲杠螺母副的靜強(qiáng)度可靠性，也因此提高了整個(gè)升降旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的靜強(qiáng)度可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

由應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)：絲杠升降機(jī)的應(yīng)力極值為21.82MPa，而該材料極限應(yīng)力為460MPa，絲杠升降機(jī)所受應(yīng)力遠(yuǎn)小于極限應(yīng)力，因此絲杠升降機(jī)在靜載情況下不會(huì)出現(xiàn)失效，結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用情況表明，造成絲杠升降機(jī)失效的主要原因應(yīng)為交變疲勞載荷。

本文只對(duì)螺母絲杠副進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析,下一步將根據(jù)靜力分析結(jié)果對(duì)螺母絲杠副動(dòng)態(tài)疲勞進(jìn)行分析。