趙九峰

(河南省特種設(shè)備安全檢測研究院，河南 鄭州 450000)

0 引 言

高空飛翔是飛行塔類游藝機(jī)中的一個(gè)品種，主要是由塔架，提升系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)提升總成等幾部分組成，塔架與基礎(chǔ)預(yù)埋螺栓連接，旋轉(zhuǎn)提升總成的提升動(dòng)力由減速機(jī)驅(qū)動(dòng)卷筒鋼絲繩實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)動(dòng)力由四臺減速機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，座椅由環(huán)鏈均勻固定旋轉(zhuǎn)提升總成圓周，每個(gè)座椅都設(shè)有獨(dú)立安全杠和安全帶。高空飛翔的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 高空飛翔結(jié)構(gòu)示意圖

高空飛翔有三種提升驅(qū)動(dòng)方式：曳引驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)。其中強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)是通過卷筒卷繞鋼絲繩實(shí)現(xiàn)的。卷筒提升驅(qū)動(dòng)具有傳動(dòng)效率高、承載能力大，調(diào)度操作簡單，價(jià)格低廉、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)[1]。卷筒是否滿足強(qiáng)度要求，對高空飛翔的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

通過對通過ANSYS有限元分析軟件，對高空飛翔卷筒進(jìn)行力學(xué)分析，并與傳統(tǒng)分析校核結(jié)果比較。有限元法減小了常規(guī)計(jì)算帶來的設(shè)計(jì)誤差，提高了設(shè)計(jì)效率和計(jì)算精度，為卷筒的設(shè)計(jì)提供了參考[2]。

1 高空飛翔有限元模型

以43 m高空飛翔為計(jì)算對象，卷揚(yáng)提升組件主要由電機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸器、卷筒和底座等組成，其中卷筒是卷揚(yáng)組件中非常關(guān)鍵的部件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響高空飛翔的運(yùn)行質(zhì)量和安全性。卷揚(yáng)組件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

高空飛翔卷筒為帶繩槽雙聯(lián)單層纏繞卷筒，兩根鋼絲繩分支同時(shí)饒入卷筒。卷筒為焊接卷筒，材料為Q235B,彈性模量E=2×105MPa，泊松比ν=0.3，密度ρ=7 800 kg/m3。卷筒的基本參數(shù)：卷筒直徑D=694 mm,卷筒壁厚t=14 mm，鋼絲繩直徑d=22 mm，繩槽節(jié)距δ=25 mm，卷筒總長L=1 310 mm,鋼絲繩的拉力S=21 885 N。

圖2 高空飛翔卷揚(yáng)組件示意圖1.電機(jī) 2.塊式制動(dòng)器 3.減速機(jī) 4.聯(lián)軸器 5.盤式制動(dòng)器 6.卷筒 7.底座

由卷筒的承載特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)形式，對卷筒做如下簡化：①假定鋼絲繩在卷筒上有序緊密排列，壓力均布分布在卷筒容繩寬度上；②保守計(jì)算，忽略繩槽的影響，這樣可以減少劃分單元數(shù)，避免畸形單元的出現(xiàn)；③忽略卷筒上的小螺紋孔，全部用殼單元來代替[3]，在ANSYS中建立的有限元模型如圖3所示。

圖3 卷筒的有限元模型

2 載荷與約束

卷筒在鋼絲繩拉力作用下，產(chǎn)生壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)剪切力[4]。根據(jù)加減平衡力系原理，平衡鋼絲繩對卷筒的拉力可以分解為對卷筒中心的一個(gè)向上拉力和繞卷筒軸的一個(gè)扭矩，對卷筒的作用的效果不變，力的載荷示意圖如圖4所示。

圖4 卷筒載荷示意圖

卷筒與卷筒軸的配合部位選擇全約束，卷筒容繩寬度外表面施加均勻壓力[2]：

(1)

代入數(shù)據(jù)到公式(1)，求得p=2.5 MPa。

為計(jì)算不同類型的應(yīng)力對合成應(yīng)力的貢獻(xiàn)大小，分三種工況進(jìn)行計(jì)算。工況1：卷筒中部一側(cè)施加拉力S=21 885 N；工況2：卷筒容繩寬度外表面施加均勻壓力2.93 MPa；工況3：同時(shí)施加拉力和均布壓力。

3 有限元計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過有限元分析計(jì)算，得到卷筒的von-Mises應(yīng)力云圖如圖5。工況1下，在彎曲和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力作用下的計(jì)算結(jié)果如圖5(a)所示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在卷筒中部外表面，最大值為4.8 MPa；工況2下，在均布壓力作用下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在卷筒邊緣內(nèi)表面，最大值為69.8 MPa，如圖5(b)所示；工況3下，在均布壓力、彎曲和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力共同作用下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在卷筒邊緣內(nèi)表面，最大值為69.9 MPa，如圖5(c)所示。

圖5 有限元計(jì)算結(jié)果

4 傳統(tǒng)分析校核結(jié)果

由《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊》可知，卷筒在鋼絲繩拉力作用下，產(chǎn)生壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力，其中壓縮應(yīng)

力最大，當(dāng)卷筒長度小于或等于直徑的3倍時(shí)，彎曲和扭轉(zhuǎn)的合成應(yīng)力不超過壓縮應(yīng)力的10%～15%，只計(jì)算壓應(yīng)力即可[6]。

由《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊》，可知卷筒(雙聯(lián)卷筒)筒壁的最大壓應(yīng)力[6]：

(2)

代入數(shù)據(jù)到公式(2)，求得σmax=62.5 MPa。

由力學(xué)理論公式，傳統(tǒng)校核方法得到卷筒的最大應(yīng)力為62.5 MPa，略低于有限元分析得到的最大應(yīng)力69.9 MPa。說明有限元分析方法和結(jié)果的可靠性和正確性。

由于高空飛翔卷筒的長度小于直徑3倍，由仿真結(jié)果可知，彎扭作用下，卷筒筒壁上的σmax=4.8 MPa，如圖5(a)所示，為壓縮應(yīng)力69.8 MPa的7%，如圖5(b)所示，與理論相符。

5 結(jié) 論

以某43 m高空飛翔為工程背景，對強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)提升的卷筒進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：

(1) 卷筒同時(shí)受到壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力的共同作用下，卷筒安全系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

(2) 當(dāng)卷筒長度小于直徑3倍，彎曲和扭轉(zhuǎn)的合成應(yīng)力遠(yuǎn)小于壓縮應(yīng)力，可僅需計(jì)算壓應(yīng)力去校核卷筒。

(3) 有限元分析與傳統(tǒng)方法相比更準(zhǔn)確、可靠，同時(shí)可獲得解析方法難以分析的局部區(qū)域應(yīng)力分布，對實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義，滿足了高空飛翔運(yùn)行安全系數(shù)的要求。