优化设计在斗式提升机机械结构中的应用*

蒋素清

(江苏财经职业技术学院,江苏,淮安,223002)

优化设计在斗式提升机机械结构中的应用*

蒋素清

(江苏财经职业技术学院,江苏,淮安,223002)

对头轮转轴的受力进行分析,确定其受力情况,通过三维软件Pro/E建立其模型,导入Hyper Mesh中划分出转轴的网格,完成载荷和约束的施加,导入到ANSYS进行求解,理论验证刚度符合要求。同时考虑增加提升机主轴的长度的可行性,为以后在实际生产中提供理论依据。

头轮转轴 ;Pro/E;Hyper Mesh;可行性

垂直斗式提升机是专门用于连续垂直输送散料的设备,它具有结构简单、占地面积小、密封性好、生产率范围较大和提升高度高等显著优点,在饲料和粮食等加工厂中使用极为广泛。斗式提升机头轮转轴机头中重要组成部分,容易失效,本文应用Hypermesh软件对其分析,找出失效点,并提出改进措施[1]。

1 头轮转轴轴上的载荷分析

(1)主轴自重及安装在主轴上的零部件重,计算时,将各零部件的重认为是加到各自轮毂中心的集中力。

(2)缠绕在卷筒上的钢丝绳的重量,将它们简化为各支轮中心的集中力。

(3)钢丝绳拉力,钢丝绳拉力简化为分配于各支轮中心的集中力及对卷筒的扭矩。

(4)扭矩包括减速器输出端传递扭矩到主轴,钢丝绳拉力产生的扭矩,卷筒等运动件的变位产生的扭(受力如图1所示)[2]。

图1 头轮转轴载荷示意图

G—主轴上的零部件、卷筒等自重作用于主轴上的力

F—钢丝绳拉力

N—支架对轴的反作用力

Te—电动机转矩

2 斗式提升机头轮转轴三位建模

2.1 模型的导入

将在Pro/E中建立的主轴模型如图2,导入到有限元软件 Hyper Mesh中,通过 Spling、Liner drag、Solid map等操作画出主轴的网格模型如图3。

2.2 材料定义

在hyper works中选择ansys模板,进行材料定义,主轴材料为 34号碳素钢,其弹性模量为205GPa,泊松比为0.3。

2.3 网格的划分

采用Solid35单元进行网格划分,大部分单元采用六面体结构,并采取手动方式,控制单元节点密度,以便得到更符合要求的网格分布。

图2 转轴三维模型

2.4 模型的输出

在Hyper Mesh中施加约束和载荷,选用ANSYS模板,输出.cdb格式,导入到ANSYS进行求解[3]。

图3 转轴网格模型

3 导入ANSYS中,进行边界和载荷处理

3.1 边界条件的处理

根据对提升机工作情况的分析,可以看出在游动卷筒端轴承为固定约束,固定卷筒端轴承在轴向上可以有一些移动。在hyper works中选择ansys模板,约束处理中,将一端加全约束,另一端加y,z方向的约束。在剖面处,根据对实际问题的分析,施加对称约束,即在剖面处只有径向位移,而无其他方向的位移,故在剖面处施加对称约束如图4所示。

图4 加约束示意图

3.2 载荷的处理

将上述计算的载荷按不同工况分别加载到模型上。转轴自重及安装在主轴上部件重,计算时,将各零部件的重认为是加到各自轮毂中心的集中力,竖直和水平方向的力作为集中力施加在各支轮处,扭矩在构件中心部位建立一个,定义为MASS21单元,然后跟其他受力节点耦合,形成刚性区域,就是用CERIG.命令,然后直接加转矩到主节点,即中心节点上面如图5所示。

图5 加载荷示意图

3.3 计算及分析

在ANSYS中分析主轴最大等效应力、综合位移值及其发生位置如表1所示：

表1 最大等效应力、综合位移值及其发生位置

表1中分别为六种工况下主轴最大等效应力和最大综合位移,从表可看出六种工况的计算结果,六种工况下最大等效应力发生的位置都在左轴承台处,主轴在正常工作情况下的最大等效应力值在102.4-120.8MPa之间,最大综位移出现的位置在轴的中部,最大综合位移值在0.742-1.062mm之间,而34#钢最大屈服极限为344MPa,根据强度理论,轴的强度符合要求。主轴的许用挠度为f=L/3000=3660/3000=1.49mm,所以主轴的刚度也在许用范内,亦即符合刚度要求[4]。

4 改变主轴长度对主轴的影响

为了达到增加容绳量,提高提升机的提升高度,可以这两个方面来考虑,一是增加提升机卷筒的直径,二是同时增加提升机主轴的长度和卷筒的宽度。目前的一般情况是同时增加提升机卷筒的直径,形成不同型号的提升机,而对同一直径的提升机同时考虑增加提升机主轴的长度和卷筒的宽度的相对较少,因此本文对同时增加提升机主轴的长度和卷筒的宽度方面做一些研究。在改变提升机卷筒宽度的同时,主轴的长度做相应的调整,其它的装置,比如像支轮、离合器、联轴器等不变化。

图6 等效应力分布图

图7 等效位移分布图

图6和图7分别为主轴随长度变化的等效应力分布图和等效位移分布图,表6主轴随长度变化的应力应变值,从图6和图7的曲线图中可以看出主轴的等效应力值和等效位移值都成递增的趋势,从表6中的应力值变化率和应变值变化率相比较,应变值的变化率比应力值变化率要快一些。从得到的数据我们可以知道轴的强度和刚度都符合要求。因此,为了增加容绳量,提高提升机的提升高度,增加主轴长度的方法可行[5]。

5 结束语

本文首先对头轮转轴的受力情况进行分析,然后计算转轴在六种工况下的受载情况,确定其边界情况,通过三维软件Pro/E建立其模型,导入Hyper Mesh,在Hyper Works中画出转轴的网格,完成载荷和约束的施加,导入到ANSYS进行求解。计算出六种工况下主轴的最大应力值和最大位移值。说明为了达到增加容绳量,提高提升机的提升高度,同时考虑增加提升机主轴的长度和卷筒的宽度的可行性,为以后在实际生产中应用提供依据。

[1]输送机械与辅助设备[M].北京：中国财政经济出版社,1992.

[2]李毅.单绳双筒缠绕式提升机有限元分析及机械结构优化设计[D].重庆大学机械工程学院 ,2009(4)：53～68.

[3]刘梅英等.基于Pro/E的斗式提升机三维建模[J].农机化研究,2009(6)：192～194.

[4]郭宏等.用ANSYS软件对提升机滚筒进行优化设计[J].煤矿机械,2003(12)：13～14.

[5]王中正,李红强.选煤厂运输设备的改造与优化[J].选煤技术,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

蒋素清,男,江苏财经职业技术学院机电系讲师,硕士,研究方向：结构拓扑优化。

[责任编辑：曾 鑫]