基于ANSYS的单绳矿井提升机主轴静强度与疲劳分析

张诗健， 李卫民

（辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 锦州 121001）

0 引 言

主轴是单绳矿井提升机重要的承载和传动部件，其设计的好坏对矿井提升机的安全运转和使用寿命都有着直接影响。由于单绳矿井提升机主轴的工况较多且受力复杂等特点，在传统的手工强度、刚度校核中总存在精度差、验算周期长等问题。本文采用ANSYS分析软件可准确快速完成地主轴校核工作，结合疲劳分析Fatigue模块计算主轴的疲劳寿命，为主轴的结构强度及疲劳评估提供依据。

1 主轴有限元模型的建立

由于ANSYS软件的造型能力较弱，且不适合快速生成圆角等特征，本文采用SolidWorks完成主轴的建立。单绳矿井提升机主轴呈典型阶梯分布，且通过切向键将扭矩传递给卷筒。主轴三维实体如图1所示。完成实体创建后，将零件图保存为.x_t格式并导入ANSYS软件［1］。

图1 主轴三维实体

2 主轴有限元分析的前处理

2.1 选择单元类型及定义材料属性

本文采用具有20个节点的Solid95单元，此单元能够容许不规则形状，不会降低精确性，且具有塑性、大变形及大应变的能力。主轴选材为45钢，弹性模量为200 GPa，泊松比为0.3，密度为7.85 g/cm3，屈服极限为355 MPa。

2.2 划分网格及施加约束

由于主轴模型具有圆角、切向键等特征，本文采用自由网格划分。同时通过调整单元尺寸提高自由分网精度低的问题。主轴的有限元网格划分如图2所示，其共计108 615个单元，157 280个节点。

图2 主轴的有限元网格划分

主轴两端采用调心滚子轴承支撑。根据实际工作情况分析，将游动卷筒端施加径向、轴向移动约束，固定卷筒端只施加径向移动约束。同时限制联轴器端面的转动自由度［2］。

2.3 施加载荷

本文假设钢丝绳为外侧固定且出绳角为0°。主轴工作时所受的正常载荷主要包括3部分：1）垂直方向上的集中力。缠绕在卷筒上的钢丝绳重量、安装在主轴上的各零部件及主轴的自身重量。2）水平方向上的集中力。未缠绕在卷筒上的钢丝绳拉力。3）扭矩。未缠绕在卷筒上的钢丝绳拉力对主轴产生的扭矩作用。

由于主轴工况较多，本文针对4个典型工况采用多载荷步加载法完成载荷的施加。其中垂直和水平方向上的集中力均视为加载到各自轮毂中心的集中力。扭矩的施加则首先使用MPC184单元在构件中心部位建立一个节点；然后跟其他受力节点分别形成多根刚性梁；最后将载荷加到中心节点上面，即通过刚性梁传递载荷。

3 主轴的静强度分析

加载求解后依次读入对应4个典型工况的载荷步文件，并结合ANSYS软件的通用后处理器查看主轴的等效应力及综合位移云图。各工况下主轴的最大等效应力、综合位移及位置见表1。工况一的等效应力云图见图3，综合位移云图见图4。

表1 各工况下主轴的最大等效应力、综合位移及位置

图3 工况一的等效应力云图

图4 工况一的综合位移云图

主轴强度和刚度校核：从表1可以看出4种典型工况下最大等效应力位置都在左轴承台阶处，且最大等效应力值皆在75.6～110.9 MPa之间；最大综合位移则都出现在轴的中部，且最大综合位移值在0.642～0.727 mm之间。主轴材料45钢的最大屈服极限为355 MPa，取其安全系数为2，则许用应力约为177.5 MPa，而主轴的最大等效应力值为110.9 MPa，即轴的强度符合第四强度理论要求。主轴的许用挠度由经验公式计算为1.82 mm，而主轴的最大综合位移值为0.727 mm，亦符合主轴的刚度要求。许用挠度经验公式为f=L/3000，其中f为主轴许用挠度，L为主轴轴长。

4 主轴的疲劳寿命分析

4.1 疲劳分析过程

1）输入零件S-N曲线。根据应力集中系数、尺寸系数、表面质量系数及加载方式修正材料 的 S-N 曲 线［3］。主轴零件的S-N曲线数据见表2。

表2 主轴零件的S-N曲线数据

2）指定应力位置。由主轴静强度分析结果可知，主轴的危险位置为左轴承台阶处，即137 363节点。

3）提取指定节点的应力值。由表1可知，137 363节点的最大应力值位于工况一，而最小应力值位于工况三。本文从以上两个工况对应的结果文件中依次提取137 363节点6个分量的应力值。

4）设置事件重复次数。由于主轴是提升机承载的重要部件，需要将主轴设计为无限寿命。本文参照主轴材料45钢设置重复次数为107，即高周疲劳极限循环次数。

4.2 疲劳结果分析

在Fatigue模块中，主轴的疲劳寿命由实际使用次数体现，而实际使用次数由最终累计损伤系数决定。主轴的疲劳结果分析如图5所示。图5表明，最终累计损伤系数k=1，说明主轴的实际使用次数至少大于45钢的高周疲劳极限循环次数，也说明主轴的设计比较可靠，符合主轴使用寿命为无限寿命的设计要求。

图5 主轴的疲劳结果分析

5 结语

本文针对主轴工况较多等特点，采用多载荷步加载法实现主轴的静强度分析。同时采用Fatigue模块计算主轴的疲劳寿命。分析结果与主轴常见损坏位置基本吻合，并验证了主轴的强度和刚度均满足要求，实际使用寿命也符合主轴无限寿命的设计要求。主轴的有限元分析提高了计算精度，缩短了验算周期，并为主轴的进一步优化与改进奠定了基础。

［1］ 郭培红，张素梅，朱建安.基于SolidWorks和ANSYS的支架顶梁应力分析［J］.矿山机械，2013（3）：28-31.

［2］ 曹静，龚宪生.基于ANSYS软件的矿井提升机主轴的数值模拟［J］.机械制造，2008（3）：18-20.

［3］ 闫洋洋.减震器筒整形冲孔一体机的设计与研究［D］.锦州：辽宁工业大学，2014.