基于ANSYS Workbench的投料机传动轴设计

车兆华

(蚌埠化工机械制造有限公司,蚌埠 233010)

基于ANSYS Workbench的投料机传动轴设计

车兆华

(蚌埠化工机械制造有限公司,蚌埠 233010)

投料机作为浮法玻璃生产线的重要设备,其规格越来越大,其重要性也更加显著。其传动系统的设计作为该设备的核心部件,也是举足轻重。该文通过ANSYS Workbench的先进设计手段对传动轴进行建模、仿真、优化,可以更加合理地进行设计的选材、布置和优化,保证整个设计的科学性、经济性。

传动轴; 建模; 仿真; 优化

ANSYS Workbench为综合应用CAD和CAE软件提供了全新的平台,称为协同仿真环境,在此环境,可以对产品的设计、分析、优化、试验进行协同管理,实现各软硬件及数据资源的共享与交流,因其功能性的强大,而广泛地应用于航空航天、汽车设计与制造、电子产品等领域。该系统还提供了与大多数商用CAD软件的接口,从而实现复杂产品的快速、便捷的建模,使设计流程高度融合,对于实现产品的快速升级、结构优化提供了高效的手段。该文借助于ANSYS Workbench广泛的CAE功能,对浮法玻璃生产线用大型投料机的传动轴进行有限元分析,从而达到优化设计,体现科学性的目的。

1 传动轴的工况及荷载分析计算

根据多年来设计成形的最终产品,投料机传动轴的传动原理如图1所示,电动机3、减速机2,通过过桥齿轮箱1将电机的动力传送到传动轴,在传动轴的两端分别连接一个曲柄连杆机构,带动投料铲做直线往复运动,从而将所需要投入的原料投入到熔窑的熔化池中。

传动轴作为整个传动系统中的重要零件,承担了传动过程中扭矩的传递,考虑到在机器的整个工作过程中,要求投送料的量是均匀一致的,且在工作过程中电机输出功率同样要求均匀稳定。因传动轴的线速度较小,排除了因旋转产生的离心力的影响,传动轴的受力状态不随时间的变化而变化,因而可以考虑成静力状态。在静力状态下,传动轴受到了来自过桥齿轮直接作用的切向力,两端轴承座产生的支撑力和两端连杆机构产生的阻力。

此例中所选的电动机型号为TYBZ-1100-160L-4,功率为11 k W,转速为150～1 500 r/min;减速机型号为YNS-395-80-I,传动比为i=80;过桥齿轮箱为一对齿轮啮合的非标产品,其减速比为3.97,其传动系统的总减速比为317.6。投料机传动系统,见图1。

根据该系统的相关数据,鉴于此系统中的传动轴主要是完成动力的传递,且自身质量、体积不大,基本可以不用考虑轴自身的质量带来弯矩的影响。分析此系统时,仅考虑轴的扭矩对轴的影响。考虑到电机通常使用输出的转速为1 500 r/min,可以计算出传动轴传递的扭矩为21 800 N·m。根据静力平衡原理,除两端轴承座对传动轴形成约束外,两端的曲柄连杆机构形成的阻力所产生的阻力矩应该为过桥齿轮传递力矩,即每个阻力矩为10 900 N·m。

2 有限元建模及网络划分

ANSYS Workbench系统通常有几种建模方式,其一主要是由商业CAD软件如pro/E、Solidwork、AutoCAD inventer等建立2D或3D结构模型后,通过ANSYS Workbench的insert命令导入并可在DM模块中进行编辑、修改等;另一种是在ANSYS Workbench系统中的DM模块中直接进行3D模型的建模,具有直接、方便的特点,但适应于结构较为简单的零部件建模。图2为在DM模块中建立的传动轴的模型。

在对机械零部件进行有限元分析的过程中需要设置元件的材料属性,通常包括材料的质量密度、弹性模量、泊松比等。其在ANSYS Workbench系统的实现过程中,通常是在engineering data菜单中的general materials下的structural steel中添加并进行相应的修改、编辑。根据相关设计资料表明,该案例传动轴材料选用45#钢,查阅相关文献和技术手册得材料的质量密度为7 890 kg/m3,弹性模量E为2.09×1011N/m2,泊松比μ=0.269,屈服强度为355 MPa。

ANSYS Workbench12.1为CAE的过程提供了多种网络方式,从简单、自动网络及高度复杂的流体网络。尤其是自动化网络的方式,可以实现智能缺省设置的几何体网络初始化,达到网络在第一次使用时就可以生成。考虑到计算机的能力限制,此文采用的是automatic method方式。选择了协调分片算法(patch conforming),网络划分的具体参数主要有:选择的物理场为Mechanical,网络的相关度设置Relevance为0,网格参数Min Size为采用系统缺省值2.35E-003,Max Face Size为5E-003 m,Minimum Edge Length同样采用系统缺省值为4.9512E-004 m。形成节点数为10 841个,单元数为6 106个。网络划分结构图,如图3所示。

3 加载及约束

为了保证传动轴的正常工作,其传动系统从受力情况分析可以看出是处于静力平衡状态,因而可以得出系统通过过桥齿轮箱通过键连接传递到传动轴的扭矩为21 800 N·m。在传动轴的两端通过键连接并传递的曲柄连杆机构形成的阻力扭矩,其之和也应为21 800 N·m且平均分担,即为10 900 N·m。两端轴承座对传动轴形成的支撑,通过添加约束而达到加载的效果。传动轴载荷及约束加载图,如图4所示。

4 载荷计算

在ANSYS workbench中的solution选项中插入Total deformation和Equivalent Stress结论选项,求得的等效应力与总变形云图,如图5、图6所示。

从等效应力云图5可以看出,发生在两端与曲柄连杆机构的连接处及过桥齿轮与轴连接的轴颈处,其最大等效应力为4.550 3×108Pa,而最小等效应力基本上发生在整个传动轴的最大直径的一段,越远离过桥齿轮箱,其等效应力越小,其最小值为10 901 Pa。从总变形云图6来看,基本上与等效应力的变化趋势相当,在三个受到力矩作用的区域变形最大,其最大值为0.159 02 mm,而最小值则发生在远离过桥齿轮箱的另一端,其最小值为0。

5 结 论

从以上分析,可以看出传动轴无论是总的变形还是等效应力两方面的参数,均能满足传动机设计要求。但通过Ansys workbench的分析,也可以得出结论,整个传动轴的设计从轴的参数和轴的材料的选择,还有较大的优化空间。同时,在传动布置方面,如果能够将过桥齿轮箱的位置稍加改变,对于整个传动系统的受力及经济性会更加有利。

[1] 雷海胜.五面加工中心主轴的建模及Ansys workbench仿真分析[J].武汉工业学院学报,2012,46(9):26-30.

[2] ANSYS—CHINA北京办事处.ANSYS Workbench安世亚太中文培训资料[EB/OL].百度文库,2008-08-02.

[3] 成大先.机械设计手册(第五版)[M].北京:化学工业出版社,2008.

[4] 宋志安,于 涛,李 红.机械结构有限元分析——Ansys Bench的工程应用[M].北京:国防工业出版社,2010.

Design of Transmission Shaft of Feeding Machine on the Base of ANSYS Workbench

CHE Zhao-hua
(Bengbu Chemical Machinery Manufacturing Co,Ltd,Bengbu 233010,China)

As an important equipment of float glass production line,the specification of the feeding machine is growing,its importance is also more remarkable.The transmission system design as the core component of the equipment, is also very important.Transmission shaft through the advanced design means of the ANSYS Workbench for modeling,simulation and optimization,it can achieve more reasonable material selection,arrangement and optimization of design,ensure the scientific nature and economy.

transmission shaft; modeling; simulation; optimization

2014-08-10.

车兆华(1965-),高级工程师.E-mail:czh3645@163.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.016