優(yōu)化設(shè)計(jì)在斗式提升機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用*

蔣素清

(江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇,淮安,223002)

優(yōu)化設(shè)計(jì)在斗式提升機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用*

蔣素清

(江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇,淮安,223002)

對(duì)頭輪轉(zhuǎn)軸的受力進(jìn)行分析,確定其受力情況,通過(guò)三維軟件Pro/E建立其模型,導(dǎo)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(dǎo)入到ANSYS進(jìn)行求解,理論驗(yàn)證剛度符合要求。同時(shí)考慮增加提升機(jī)主軸的長(zhǎng)度的可行性,為以后在實(shí)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(jī)是專(zhuān)門(mén)用于連續(xù)垂直輸送散料的設(shè)備,它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn),在飼料和糧食等加工廠中使用極為廣泛。斗式提升機(jī)頭輪轉(zhuǎn)軸機(jī)頭中重要組成部分,容易失效,本文應(yīng)用Hypermesh軟件對(duì)其分析,找出失效點(diǎn),并提出改進(jìn)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(jì)算時(shí),將各零部件的重認(rèn)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(jiǎn)化為各支輪中心的集中力。

(3)鋼絲繩拉力,鋼絲繩拉力簡(jiǎn)化為分配于各支輪中心的集中力及對(duì)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(yùn)動(dòng)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(duì)軸的反作用力

Te—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩

2 斗式提升機(jī)頭輪轉(zhuǎn)軸三位建模

2.1 模型的導(dǎo)入

將在Pro/E中建立的主軸模型如圖2,導(dǎo)入到有限元軟件 Hyper Mesh中,通過(guò) Spling、Liner drag、Solid map等操作畫(huà)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(jìn)行材料定義,主軸材料為 34號(hào)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(jìn)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(dòng)方式,控制單元節(jié)點(diǎn)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(dǎo)入到ANSYS進(jìn)行求解[3]。

圖3 轉(zhuǎn)軸網(wǎng)格模型

3 導(dǎo)入ANSYS中,進(jìn)行邊界和載荷處理

3.1 邊界條件的處理

根據(jù)對(duì)提升機(jī)工作情況的分析,可以看出在游動(dòng)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(dòng)。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(duì)實(shí)際問(wèn)題的分析,施加對(duì)稱(chēng)約束,即在剖面處只有徑向位移,而無(wú)其他方向的位移,故在剖面處施加對(duì)稱(chēng)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(jì)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(jì)算時(shí),將各零部件的重認(rèn)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(gè),定義為MASS21單元,然后跟其他受力節(jié)點(diǎn)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(diǎn),即中心節(jié)點(diǎn)上面如圖5所示。

圖5 加載荷示意圖

3.3 計(jì)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(jì)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(tái)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(qiáng)度理論,軸的強(qiáng)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(zhǎng)度對(duì)主軸的影響

為了達(dá)到增加容繩量,提高提升機(jī)的提升高度,可以這兩個(gè)方面來(lái)考慮,一是增加提升機(jī)卷筒的直徑,二是同時(shí)增加提升機(jī)主軸的長(zhǎng)度和卷筒的寬度。目前的一般情況是同時(shí)增加提升機(jī)卷筒的直徑,形成不同型號(hào)的提升機(jī),而對(duì)同一直徑的提升機(jī)同時(shí)考慮增加提升機(jī)主軸的長(zhǎng)度和卷筒的寬度的相對(duì)較少,因此本文對(duì)同時(shí)增加提升機(jī)主軸的長(zhǎng)度和卷筒的寬度方面做一些研究。在改變提升機(jī)卷筒寬度的同時(shí),主軸的長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shì),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(qiáng)度和剛度都符合要求。因此,為了增加容繩量,提高提升機(jī)的提升高度,增加主軸長(zhǎng)度的方法可行[5]。

5 結(jié)束語(yǔ)

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

[1]輸送機(jī)械與輔助設(shè)備[M].北京：中國(guó)財(cái)政經(jīng)濟(jì)出版社,1992.

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

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

[4]郭宏等.用ANSYS軟件對(duì)提升機(jī)滾筒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2003(12)：13～14.

[5]王中正,李紅強(qiáng).選煤廠運(yùn)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(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系講師,碩士,研究方向：結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。

[責(zé)任編輯：曾 鑫]