毛敏

摘 要：借助SolidWorks與WorkBench間接口完美對接的優(yōu)點(diǎn)，對鋼絲繩電動(dòng)葫蘆聯(lián)接軸進(jìn)行簡化建模，繼而于WorkBench中采用實(shí)體單元類型建立有限元模型，靜載工況下對其總體變形、等效應(yīng)力及最大切應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，對聯(lián)接軸的深入、精細(xì)及經(jīng)濟(jì)性地優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：聯(lián)接軸；強(qiáng)度分析；應(yīng)力

引言

作為一種輕小型起重設(shè)備的鋼絲繩電動(dòng)葫蘆，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、自重輕、體積小、操作方便等優(yōu)點(diǎn)[1]，而且滑輪組結(jié)構(gòu)及倍率具有多種組合方式，除具有固定、懸掛安裝方式外，亦可以低凈空、雙吊點(diǎn)型式安裝，能夠有效改善勞動(dòng)條件，提高生產(chǎn)率，在各大工業(yè)中得以廣泛使用。但目前社會(huì)所要求的工業(yè)精細(xì)化發(fā)展中的電動(dòng)葫蘆設(shè)計(jì)受到了一定條件的制約，以被廣泛應(yīng)用了近40年的CD1型電動(dòng)葫蘆為例，發(fā)展中仍遇到一些問題諸如缺乏優(yōu)化設(shè)計(jì)精準(zhǔn)計(jì)算公式及經(jīng)驗(yàn)、向更為輕巧的方向設(shè)計(jì)同樣受到一定技術(shù)條件的制約等等。借助于機(jī)械技術(shù)和電子、微電子技術(shù)以及國際先進(jìn)的精確、快速的計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算技術(shù)等先進(jìn)方法有效地促進(jìn)了電動(dòng)葫蘆零部件及整體結(jié)構(gòu)以及種類、類型和控制精度水平等方面的快速發(fā)展。

1.有限元模型的建立

以某品牌的CD1型鋼絲繩電動(dòng)葫蘆中的重要承載軸聯(lián)接軸為例，利用建模軟件SolidWorks進(jìn)行三維建模，其中形狀突變處即有可能存在應(yīng)力集中處如銷軸孔、螺紋等處在建模中不可簡化忽略；同時(shí)在聯(lián)接軸圓柱面上分割出實(shí)際工作過程中的固定圓環(huán)面以及承受加載力面，如圖1示。利用其與有限元分析軟件WorkBench間接口的近乎無縫的鏈接，直接導(dǎo)入WorkBench中。根據(jù)聯(lián)接軸自身的結(jié)構(gòu)特征，鑒于8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元Solid185的每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有沿著x，y.z三個(gè)方向的平移自由度，同時(shí)具有超彈性、蠕變、應(yīng)力鋼化以及大變形和大應(yīng)變等特征[2]，采用該單元類型進(jìn)行網(wǎng)格劃分創(chuàng)建有限元模型，如圖2所示。模型材料選用20鋼，其屈服極限 。

圖1. 聯(lián)接軸3D模型

圖2. 聯(lián)接軸有限元模型

2.強(qiáng)度計(jì)算、分析

按照該型號鋼絲繩電動(dòng)葫蘆額定載荷5t，外加卷筒、鋼絲繩、電機(jī)、減速機(jī)、制動(dòng)裝置及吊鉤滑輪組等附件重量167Kg，施加于懸掛板與其接觸部位，設(shè)置求解條件及相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行求解，其整體變形如圖3示，相應(yīng)的等效應(yīng)力如圖4示。明顯地，變形出現(xiàn)三個(gè)部位，其中兩受力支點(diǎn)中間75mm長度范圍內(nèi)的變形最大為0.17942mm，兩支點(diǎn)附近為變形過度區(qū)，另外，同一大小的變形以近乎圓環(huán)形式出現(xiàn)，是因?yàn)槁?lián)接軸受力后，以中性面為分界，圓柱面下半部分受拉應(yīng)力上半部分受壓應(yīng)力，變形可由第四強(qiáng)度理論解釋，即物體因外力作用而產(chǎn)生彈性變形時(shí)，外力在相應(yīng)位移上做功，能量在物體內(nèi)部積蓄，亦即變形能，這種積蓄的能量與3個(gè)主應(yīng)力有關(guān)即 ，當(dāng)外力克服分子力而會(huì)產(chǎn)生晶體間的滑移運(yùn)動(dòng)，外力越大越明顯，隨著滑移的不斷積累，而最終產(chǎn)生較大彈性變形，而當(dāng)外力足以克服材料所許用應(yīng)力時(shí)，材料變產(chǎn)生不可恢復(fù)性的塑性變形，如圖4中A-A剖面可見，其拉壓應(yīng)力最大值為 ，因而該聯(lián)接軸的安全系數(shù) ，充分地滿足了塑性材料的安全系數(shù)1.5～2.5的要求[3]，另外，從該剖面視圖可見，材料由表及里等效應(yīng)力逐級呈水紋狀遞減，心部受力較小，因而在軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，可適當(dāng)考慮用空心或針對表面應(yīng)力分布較大部分進(jìn)行熱處理或機(jī)械強(qiáng)化處理。

圖3.聯(lián)接軸整體變形趨勢圖

圖4. 等效應(yīng)力云圖

圖5為計(jì)算所得聯(lián)接軸最大切應(yīng)力云圖，與等效應(yīng)力分布大致相似，兩支點(diǎn)中間長度范圍內(nèi)拉壓區(qū)域最大剪切應(yīng)力大致相同，但其最大值出現(xiàn)于軸和電動(dòng)葫蘆連接板相接觸部位，在周期性的起吊、卸載工作過程中該處始終處于交變的疲勞應(yīng)力狀態(tài)，因而對該處與連接板接觸的圓周厚度為圖示紅色區(qū)域進(jìn)行有效地強(qiáng)化處理，對提高軸的壽命及減小因軸磨損而導(dǎo)致電動(dòng)葫蘆車輪與導(dǎo)軌摩擦等故障缺陷有著十分重要的意義。

圖5. 切應(yīng)力云圖

3.結(jié)論

通過對聯(lián)接軸進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，較為精確地計(jì)算出鋼絲繩電動(dòng)葫蘆聯(lián)接軸靜態(tài)剛度、總體變形趨勢、等效應(yīng)力和最大切應(yīng)力分布云圖，通過分析其中變形和應(yīng)力的分布趨勢，在優(yōu)化設(shè)計(jì)階段相比傳統(tǒng)力學(xué)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，文中給出了一種更為精確、有效、直觀的設(shè)計(jì)理念，從而科學(xué)、有效地指導(dǎo)聯(lián)接軸的精益設(shè)計(jì)，

參考文獻(xiàn)：

[1]張質(zhì)文等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2013.

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[3]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2011.