曲振華（淄博職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,山東 淄博 255314）

基于UG/Structure的緩降器有限元分析

曲振華
（淄博職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,山東 淄博 255314）

介紹了摩擦阻尼型救生緩降器的工作原理，利用UG/Structure模塊，針對緩降器支撐部件主軸、行星齒輪傳動系統(tǒng)進(jìn)行了有限元分析，獲得主軸工作時的最大應(yīng)力和齒輪嚙合時的齒根最大彎曲應(yīng)力及齒面最大接觸應(yīng)力，并和理論計算結(jié)果進(jìn)行了分析與比較，為齒輪設(shè)計提供了參考依據(jù)，并有效的提高了工程設(shè)計、分析的效率和精度，保證了制造實施的可行性。

緩降器；有限元分析；UG

近年來高層建筑遞增，一旦發(fā)生意外和火災(zāi)，電梯斷電失靈，樓道煙氣堵塞，逃生和疏散很困難,緩降器可以使受困人員安全地逃離?，F(xiàn)今市場中的緩降器，設(shè)計與開發(fā)尚不成熟，使用方法復(fù)雜，不能被廣泛普及。為此，研制適合居民實用的逃生緩降器成了一個急需解決的問題。

1 緩降器工作原理分析

如圖1所示，緩降器用NGW型行星齒輪傳動，固定內(nèi)齒圈，鋼絲繩可通過三個導(dǎo)向輪跨繞在繩輪的輪槽內(nèi)，將繩輪與行星架制成一體，內(nèi)齒圈與外殼制成了一體，摩擦面在內(nèi)齒圈上，兩個摩擦塊沿著太陽輪向分布裝在太陽輪上，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上使其能和太陽輪一起同速旋轉(zhuǎn)，并可以在太陽輪上沿徑向方向甩出，制動盤發(fā)生旋轉(zhuǎn)摩擦形成制動力，從而自動調(diào)節(jié)下降速度，實現(xiàn)勻速下降，保證了人落地時無沖擊感且工作過程無空程。

2 基于UG/Structure的緩降器的有限元分析

有限元分析了齒輪的接觸應(yīng)力，并能真實地表明輪齒的實際受力狀態(tài)，能明顯地看出輪齒的變形情況，并明確應(yīng)力的分布區(qū)域及最大、小應(yīng)力值，避免傳統(tǒng)算法中查圖、查表的復(fù)雜性，以及計算的煩瑣性，計算模型將更真實、精確、全面、誤差更小[1]，不僅是實驗法無法相比且也是實驗法無法做到的。

緩降器主要零部件有限元分析：本文的有限元分析是在最大負(fù)荷力1470N（參考值）的作用下進(jìn)行的，即150kg人或物體所受的重力。主軸和行星機(jī)構(gòu)是緩降器主要受力部件，因此對行星機(jī)構(gòu)和主軸進(jìn)行了有限元分析。

2.1 行星輪傳動系統(tǒng)有限元分析

太陽輪、行星輪和內(nèi)齒圈采用同一種材料40Cr。圖2顯示了齒輪嚙合時的應(yīng)力云圖；從圖中分析可知，在齒輪嚙合過程，齒根最大彎曲應(yīng)力為約329.0MPa，發(fā)生在內(nèi)嚙合時，行星輪距齒根較近的節(jié)點處，材料的許用彎曲應(yīng)力為=1107.6MPa，所以＜，齒根彎曲應(yīng)力滿足材料的強(qiáng)度要求。傳統(tǒng)計算方法能得到行星輪齒根最大彎曲應(yīng)力為372.8MPa，因此仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果相差非常相近。

圖3顯示了齒輪輪齒接觸應(yīng)力云圖。由圖中分析可知，在齒輪嚙合過程中，輪齒最大接觸應(yīng)力為1262.0Mpa，生在太陽輪接觸線距離齒根較近的節(jié)點，材料的許用接觸應(yīng)力為1695.7MPa，所以接觸應(yīng)力滿足材料的強(qiáng)度要求，經(jīng)傳統(tǒng)計算方法得太陽輪節(jié)點處的接觸應(yīng)力最大為1353.9MPa，由于傳統(tǒng)方法計算時考慮了重合度影響，而在用有限元分析時沒有考慮重合度的影響，所以會有一定的誤差。

2.2 主軸的有限元分析

假設(shè)繩輪為理想剛體且接觸面不存在塑性變形，此時可視主軸受繩輪反作用力沿主軸軸線方向呈線性分布。且由于主軸為整個緩降器承受負(fù)載時的主要支撐部件，因此為易破損的部件，在UG軟件里，分析破損情況。預(yù)制主軸材料為45＃鋼，并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，屈服強(qiáng)度 =355MPa。因主軸固定，載荷比較平穩(wěn)，并裝有齒輪，因此取許用應(yīng)力 MPa，允許撓度為 mm。

雙擊Results命令，進(jìn)入UG/Structure有限元分析后處理模塊。圖2-3顯示了主軸位移變形，由圖可以看出，最大位移發(fā)生在距離主軸右側(cè)定位面19mm處，最大值為 =6.628×103mm， ＜ ，因此軸的撓度能夠滿足彎曲剛度的要求。

圖5顯示了主軸應(yīng)力分布情況，并從圖中可以看出，在軸肩處由于截面突變引起應(yīng)力集中，所以最易破損的地方發(fā)生在軸肩過渡位置，其最大值為 =109.3MPa，可見 ＞ 。為滿足軸的強(qiáng)度要求，可采用兩種方法，一：根據(jù)實際情況采用性能較好材料，如40Cr，或者改進(jìn)熱處理辦法，如滲碳淬火；二：可以通過增加軸肩的過渡圓角半徑，以減小應(yīng)力集中，減小最大應(yīng)力，分析表明當(dāng)過渡圓角半徑r為0.5mm時，最大應(yīng)力為96MPa，能夠滿足材料的強(qiáng)度要求。

3 結(jié)束語

應(yīng)用UG軟件提供的有限元分析模塊對緩降器行星齒輪傳動系統(tǒng)進(jìn)行了有限元分析，得到了主軸工作時的最大應(yīng)力及輪齒嚙合時的最大接觸應(yīng)力與最大齒根彎曲應(yīng)力，通過比較仿真結(jié)果和理論計算結(jié)果相差并不大，并能滿足材料的強(qiáng)度要求。計算機(jī)仿真結(jié)果顯示，緩降器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)基本能夠滿足設(shè)計要求，并且為機(jī)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及疲勞分析提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，保證了制造的可行性。由此可見，仿真結(jié)果對緩降器的設(shè)計制造具有較高的參考價值。

[1]楊生華.齒輪接觸有限元分析[J].計算力學(xué)學(xué)報，2003(02):189-194

[2]馬秋成，韓利芬.UG.CAE篇[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002(06).

[3]趙娥.汽車變速器優(yōu)化設(shè)計與有限元分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2004.

[4]耿魯怡，徐六飛.UG結(jié)構(gòu)分析培訓(xùn)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005(02).

曲振華（1979-），男，山東省淄博人，助教，碩士，從事機(jī)械設(shè)計及制造及其自動化方面的學(xué)習(xí)研究。