基于NX Nastran的机械式挖掘机滑轮轴的分析优化

仝雷强，谭 彬，王晓明

（太原重工股份有限公司，山西 太原 030024）

引言

NX软件被当今许多世界领先的制造商应用于概念设计、工业设计、详细的机械设计以及工程仿真和数字化的制造等各个领域，是当前世界主流CAD/CAE/CAM软件之一[1]。

NX Nastran集成在NX软件中，是一个通用的有限元分析程序[2]，NX Nastran集成的优点是避免模型和分析软件之间相互转换的麻烦[3]。在根据分析结果对模型进行针对性的快速结构修改后，更新有限元网格重新分析计算即可快速了解优化后的应力状况。

滑轮轴是矿用挖掘机最主要的受力件之一，它两端通过轴座固定在起重臂顶部上，中间安装有2组滑轮轴承，挖掘机提升时铲斗和物料的自重及挖掘中的提升力均由提升钢绳通过混轮轴承作用到滑轮轴上。由于挖掘机的工作环境非常恶劣，挖掘过程中经常由于爆破不完全或物料变化出现过载的情况，这样提升力就会加大，因此滑轮轴必须有足够的强度和刚度[4]。其次，滑轮轴位于挖掘机工作装置的前段，其质量直接影响整机的稳定性以及挖掘机上部工作装置回转时的转动惯量，因此合理地减轻滑轮轴的质量，能够有效降低能源消耗，降低成本，提高挖掘机作业效率。 综上所述，强度、刚度、质量、成本上的要求使得滑轮轴结构的分析优化显得十分必要。

1 滑轮轴受力分析

机械式挖掘机的提升钢丝绳由2根组成，均为定长钢丝绳，由于钢丝绳是弹性体，并且交叉在4个绳槽内，故此处2根钢丝绳对2个滑轮可以按照均布载荷且大小相同来进行计算滑轮轴的强度。

由于滑轮轴的尺寸，本次选用有限元分析程序NX Nastran 7.5中四面体四节点实体单元，建立载荷工况下的有限元分析模型，采用接触算法及关键区域网格配对技术，进行滑轮轴的性能分析。滑轮轴在起重臂顶部的由轴座固定，其中一端采用卡板固定，另一端轴向不固定。

在施加边界约束条件和力的分布上，太原重工股份有限公司将该结构等效简化为一端固定，一端铰接的简支梁模型。滑轮轴中部靠近两侧处受到来自滑轮轴承的竖直向下的力，均匀分布在一定宽度范围内，如图1所示。

图1 滑轮轴的工况载荷受力与约束

2 初始结构分析

滑轮轴有限元分析主要包括通过网格加密等技术，计算出滑轮轴的应力、挠度以及扭转角的大小与分布。计算结果如下页图2、图3所示，对滑轮轴进行有限元分析的VON MISES等效应力和位移分布云图。

图2和图3中标尺上的数字对应不同的位移或应力，其中，VON MISES等效应力是按第四强度理论确定的：

图2 滑轮轴的初始VON MISES等效应力图

图3 滑轮轴的初始位移云图

如图2、图3所示，初始VON MISES等效应力最大值为220 MPa，最大位移0.514 mm，应力最大值出现在轴肩倒角处，最大位移出现在轴的中间位置。

3 优化

根据初步分析结果，即图2、图3的VON MISES等效应力以及位移分布图，认为轴肩处的倒角导致轴上出现了局部的应力集中，而其他位置的应力都比较小，说明滑轮轴的直径设计偏大，个别位置应力很小，显得比较笨重，而轴肩处出现的应力集中对于设备运行中的循环应力容易出现疲劳失效。

滑轮轴中间处的最大位移0.514 mm，但此处未安装轴承，仅有一个隔开2轴承的套，该套与滑轮轴之间的间隙较大，对轴中心处的位移不敏感。安装轴承处的最大位移约0.3 mm，但此处单位长度的挠度变化很小，对于轴与轴承安装处的配合影响较小，综合上述，轴的位移的变化是可以接受的。

因此对于轴的优化，主要体现在减小轴肩处的应力集中，适当增加应力较大处的尺寸，减小强度冗余处的尺寸，具体更改方案为：增大2个轴肩处的倒角尺寸至6 mm，减小两端靠近端面处的直径，同时略微降低轴的直径，降低两端轴肩处的直径落差。

图4 滑轮轴优化后的VON MISES等效应力图

图5 滑轮轴优化后的位移云图

优化后的结果：如图4、图5所示，滑轮轴肩处应力最大，轴的最大VON MISES等效应力为σ=195 MPa；滑轮轴在中间的位移最大，轴的最大位移为ω=0.58 mm。

与原设计相比，优化以后最大应力显著降低，挠度变化不大，同时质量由 1 412 kg降低到1 376 kg。

4 结语

利用NX Nastran分析滑轮轴受力，利用参数化建模功能快速地针对薄弱部位以及设计冗余部位进行设计修改，可以快速评估优化后的结果。做到最大应力显著下降，应变略有增大，而滑轮轴整体的质量由1 412 kg也显著减少到1 376 kg，降低了制造成本，提高了机构运行效率，根据优化结果生产的产品在实际使用中一直很稳定。

[1] 洪如瑾.UG NX6 CAD进阶培训教程[M].北京:清华大学出版社,2009.

[2] 三维书屋工作室.UG NX7.0动力学与有限元分析从入门到精通[M].北京:机械工业出版社,2010.

[3] 沈春根,王贵成. UG NX7.0 有限元分析从入门与实例精讲[M].北京:机械工业出版社,2011.

[4] 阎书文.机械式挖掘机设计[M].北京:机械工业出版,1982.