基于ANSYS的施工升降機減速器箱體仿真分析

樊東洋　李華志　蘇睿　曾軍　宋振宇

摘要：為了解決傳統(tǒng)的施工升降機減速器箱體質(zhì)量大不利于高空作業(yè)的問題，應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對箱體進(jìn)行有限元分析，其分析內(nèi)容包括靜力學(xué)分析與模態(tài)分析；根據(jù)軟件分析結(jié)果可以得出：箱體在正常工作的情況下，總體的變形量小，受力較均勻，最大受力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對應(yīng)材料的許用應(yīng)力；且箱體不會發(fā)生共振變形，結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)化，滿足施工升降機高空作業(yè)的需要。

關(guān)鍵詞：減速器；施工升降機；有限元分析

中圖分類號：TH112 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-5383（2018）03-0009-04

Abstract： In order to solve the problem that the quality of the traditional reduction case of the construction lift is not conducive to high-altitude operation， the ANSYS Workbench software was used to carry out finite element analysis on the reduction case， and the analysis includes static analysis and modal analysis；According to the software analysis results， it can be concluded that the overall deformation of the case is small， the force is relatively uniform， the maximum force is far less than the allowable stress of the corresponding material and thecase does not undergo resonance deformationThe structure can meet the needs of construction lifts for aerial work.

Keywords：

reducer； construction lift； finite element analysis

現(xiàn)有施工升降機減速器工作時發(fā)熱過大，傳動效率較低，且箱體質(zhì)量大不利于高空作業(yè)。一般由設(shè)計者根據(jù)自身經(jīng)驗、機械設(shè)計手冊的經(jīng)驗公式、類比同類減速器等方法進(jìn)行箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計[1-5]。

為提高材料的利用率，減輕箱體重量，使結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)化，本文對施工升降機箱體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，并通過力學(xué)分析以驗證設(shè)計方案的可行性。

采用一般的力學(xué)計算公式對箱體受力進(jìn)行分析時，過程困難并且誤差很大，而有限元分析將復(fù)雜的求解域化解成多個小的互連子域，用復(fù)雜的問題簡單化，再求解。這樣運算的結(jié)果不僅精度高，而且應(yīng)付各種復(fù)雜的形狀。因此，本文利用有限元分析的方法對箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與校核。

1 有限元分析

施工升降機減速器箱體的分析包括變形分析、應(yīng)力分析和模態(tài)分析。

1.1變形分析

1）導(dǎo)入箱體文件，如圖1所示，并設(shè)置材料，箱體材料為ZL101A，軸承端蓋材料為2A12。其材料性能參數(shù)如表1所示。

2）對三維實體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

3）根據(jù)減速機自身安裝形式，對電機安裝座與箱體部分進(jìn)行對應(yīng)的約束：電機安裝座是用螺栓進(jìn)行連接與固定，因此直接對螺栓孔的側(cè)面進(jìn)行約束，如圖3a所示。在箱座連接處，則選擇連接用螺栓孔和端面進(jìn)行約束，如圖3b所示。

4）根據(jù)內(nèi)部傳動件計算可得載荷情況，如表2所示。

箱體所受載荷由軸承傳遞，只是軸承座下半部分受力，因此對于徑向力的施加，只是對軸承座下半部分施加相對應(yīng)的徑向載荷。徑向力是按余弦函數(shù)分布，此次分析將對軸承下半部分用均布最大載荷來替代。載荷類型選為Bearing Load，對于軸向力，則按端蓋上的均布載荷進(jìn)行施加，如圖4所示。

5）通過后處理模塊查看總形變后的處理結(jié)果分別如圖5，表3所示。

結(jié)合圖5和表3分析，形變最大為X方向，最大形變量約0.018 3 mm，但是其變形量的值比較小。從總體變形上看（細(xì)實線框為不變形狀態(tài)下的模型），主要的變形出現(xiàn)在軸承座及其周圍，而箱座上的主軸承座有肋板的支撐下，變形較??；軸承座因為采用了襯套，增加了此處軸承座的剛度，因此變形也不大；最大變形量集中在箱蓋上，最大總體變形量為0.052 457 mm。因此，雖然箱體在某些部分會有變形集中的情況出現(xiàn)，但是其值較小，完全不影響箱體正常工作。

1.2 應(yīng)力分析

箱體及關(guān)鍵部位的應(yīng)力分析如圖6所示。

從圖6可以看出，箱體受力比較均勻，且都沒出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況。應(yīng)力主要分布在軸承座與軸承蓋上。隱藏端蓋與電機安裝座，觀察軸承座的受力情況，由圖6c可以看出，軸承座的受力區(qū)域主要分布在軸承座的下半部分，與之前軸承受力分析相符合，箱座的軸承座受力約為6 465.5 pa，少部分受力為3.083 8～6.161 1 Mpa；箱體最大應(yīng)力區(qū)域主要分布在箱蓋的軸承座上，與之前的形變分析相符合，箱蓋軸承座的受力約為6 465.5 pa～9.238 4 Mpa。已知ZL101A的屈服極限為155 Mpa，安全系數(shù)為1.7，可知ZL101A的許用應(yīng)力為91.18 Mpa，因此，箱體軸承座受力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力91.18 Mpa。

為了更好地觀察施加軸向力的端蓋受力情況，對模型進(jìn)行隱藏箱體、箱蓋與電機安裝座的操作，可以看出：最大受力主要分布在箱蓋上的軸承蓋與密封蓋，為9.238 4 Mpa，而箱座上的端蓋受力為64 655.5 pa，端蓋與密封蓋的材料為2A12，其許用應(yīng)力為144.11 Mpa，因此箱蓋上最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力。

綜上所述，箱體受力小于各材料的許用應(yīng)力，即箱體受力符合要求。

2 模態(tài)分析

模態(tài)分析為對現(xiàn)有模型結(jié)構(gòu)的振動特性進(jìn)行分析與計算，通過Workbench的模態(tài)分析，可以得出結(jié)構(gòu)固有的頻率與振型。對箱體進(jìn)行約束狀下的模態(tài)分析，箱體約束施加與圖3一致。

采用Toolbox的Analysis Systems中Modal模塊分析所得振型結(jié)果如圖7所示。

箱體自身的振動可以用多階固有頻率組合，因為低階的固有振型對箱體影響更大，一般情況下只考慮前6階固有的振型，如表4所示。

由圖7和表4分析可知，在軸承座的周圍加肋板之后，除了能起到增加箱體強度的作用，同時能夠大大降低箱體軸承座附近的振動，減少因振動產(chǎn)生的變形，讓結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，有利于保證減速器箱體的正常傳動。發(fā)生振動變形的區(qū)域主要為箱蓋軸承座的部分，由于軸承座的變形會影響箱體的正常工作，因此需要進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

已知減速器輸入轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，轉(zhuǎn)速與頻率轉(zhuǎn)換公式為：

正常情況下，最大轉(zhuǎn)速只能達(dá)到1 500 r/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于振型的最小轉(zhuǎn)速（一階）2 245 920 r/min，電機轉(zhuǎn)速不可能達(dá)到和接近這么高的轉(zhuǎn)速，因此由輸入轉(zhuǎn)速而導(dǎo)致箱體產(chǎn)生共振變形的可能性非常小，可以忽略不計。

3 小結(jié)

基于ANSYS Workbench用有限元的方法對施工升降機減速器箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)分析（包括形變與應(yīng)力分析）和模態(tài)分析。通過靜力學(xué)分析，得到了該施工升降機減速器在工作過程中變形量小，且最大受力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對應(yīng)材料的許用應(yīng)力。通過模態(tài)分析，得到該施工升降機減速器在額定輸入轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)驅(qū)動下，箱體不會發(fā)生共振。在上述仿真分析過程中，該齒輪箱變形量小、受力均勻、結(jié)構(gòu)合理，滿足高空作業(yè)減速器的功能需求。

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