吸开机构中心传动轴静态分析*

宋柏成

(1．兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州 730070;2．兰州博立睿达机电技术有限公司，甘肃兰州 730070)

0 引言

纸纱复合糊底机是综合运用气/液压传动、可编程控制器、传感器等多种技术，实现机电一体化。纸纱复合包装袋广泛应用于食品、肥料、建材、化工等多种行业［1－2］。在糊底袋之前，纸袋多采用缝口技术。同样配纸情况下，糊底袋比缝口袋节约纸6%，成本降低约8%，抗破强度大幅提高［3］。纸纱复合糊底机吸开机构中心传动轴是一种特殊结构的轴，它的受力不同于其他传统的传动轴，传统的传动轴受力模型一般为简支梁，而吸开机构中心传动轴受力模型为悬臂梁，在加载相同载荷的情况下，悬臂梁所受应力、应变要远远大于简支梁。实际中，对悬臂梁进行校核十分必要。中心传动轴的性能影响袋底能否完全吸开且吸开质量如何直接影响糊底质量的好坏。因此，糊底机设计中，吸开机构中心传动轴的静态分析具有重要的意义。利用Solid works三维绘图软件和ANSYS Workbench分析软件对吸开机构中心传动轴进行线性静态结构分析，并在此基础上对其进行疲劳校核。结果表明，吸开机构中心传动轴强度满足规定要求。

1 静态分析的几何模型

静态分析包含多方面的内容，而线性静态结构分析是有限元分析中最基础、最基本的内容。通过线性静态结构分析可以选择合理的设计方案，并且可以对结构进行有效的验证，有助于结构的进一步设计。通过强度校核我们可以找到轴的薄弱环节，为结构的优化设计提供理论依据，提高轴的安全性和可靠性。

对于一个线性静态结构分析，位移由下面的矩阵方程解出:

［K］［x］={F}式中:［K］是一个常量矩阵，它建立的假设条件为:假设是线弹性材料行为，使用小变形理论，可能包含一些非线性边界条件。［F］是静态加在模型上的，不考虑随时间变化的力，不包含惯性影响。

2 线性静态结构分析

2．1 吸开机构中心传动轴模型主要结构

笔者利用Solid works三维模型导出二位工程图，根据设计方案，中心传动轴的主要尺寸如图1。

图1 中心传动轴的外形尺寸图

2．2 吸开机构中心传动轴三维模型建立

运用Solid works软件绘制中心传动轴的三维图，施加在中心传动轴上载荷及约束如图2所示。

图2 施加约束及载荷图

2．3 划分网格

2．3．1 ANSYS 模型的建立

为了减少分析的计算量，在不影响分析结果的情况下，忽略中心传动轴上面的细小结构(如过度圆角、倒角等)。利用Solid works与ANSYSWorkbench之间的数据传输功能，将中心传动轴模型导入到ANSYSWorkbench中。该模型在ANSYSWorkbench会被自动识别。设置传动轴模型的材料及其参数。转轴使用的材料是45钢，其具体的材料参数如表1。

表1 材料性能参数

2．3．2 网格的划分

将Solid works三维模型保存为“x－t”格式，可快速的将中心传动轴模型导入到ANSYSWorkbench中，并采用四面体网格划分法，对中心传动轴模型进行划分网格。划分完成后的单元数是14951和节点数是25990。中心传动轴的网纹模型如图3所示。

图3 中心传动轴的网纹模型

网纹划分的好坏直接影响计算效果，网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算的时间也会增加，所以在确定网格数量时应权衡两个因数综合考虑。

利用四面体网格划分法有许多优点:任意体都可用四面体网格进行划分;划分网格快速、自动生成，并适用于复杂体;在关键区域易使用曲度和近似尺寸功能自动细化网格;可使用膨胀细化实体边界附近的网格。四面体划分采用自带的Patch Conforming法［4］。

2．4 吸开机构中心传动轴载荷计算

作用于中心传动轴上的载荷主要包括横向载荷、垂向载荷、纵向载荷［5］，如表2所列。

表2 载荷计算值 /kN

2．5 添加约束

对于载荷和约束的添加，按照如下原则进行:在中心传动轴的主动施力部位添加载荷，在中心传动轴的被动受力部位添加约束。在中心传动轴C处添加固定约束，载荷根据规定要求分别添加在A、B处。

2．6 吸开机构中心传动轴静强度分析

各载荷相互作用下中心传动轴的应力、应变分别如图4、5所示。

图4 中心传动轴的应力图

图5 中心传动轴的应变图

计算结果进行分析如下:

(1)模拟正常工况下中心传动轴的应力如图4所示，中心传动轴的最大应力为295．65 MPa，小于材料的需用应力，不会产生塑性变形，满足要求。

(2)模拟正常工况下中心传动轴的应变如图5，中心传动轴的最大应变为0．000 273 55 m，而一般转轴的许可挠度取为［y］=(0．0001～0．0005)L，L为转轴支撑点间的跨距［6］。

2．7 吸开机构中心传动轴疲劳校核

根据模拟正常工况下中心传动轴的应力图，选取应力最大位置作为疲劳校核点，取最大应力295．65 MPa进行校核。

取安全系数为1．2，［σ］=295．65 MPa，σlim=355

3 结论

以吸开机构中心传动轴为研究对象，参考《材料手册》，查找相关数据，对中心传动轴进行强度校核。

(1)根据计算的应力结果，吸开机构中心传动轴的最大应力小于材料的屈服极限，不会产生永久塑性变形。

图8 文丘里管总体结构示意图

图9 文丘里喷嘴剖面图

4 结语

通过对空气雾化的原理、空气雾化喷嘴的设计要求的分析和不同类型喷嘴的比较可知:相较于气泡雾化喷嘴、Y型气助式喷嘴而言，B型气动式文丘里管可以满足空气雾化的设计要求。圆形的喉管断面形状及内喷的供水方式及合理圆锥收缩段与圆锥扩散段的文丘里喷嘴可以满足设计要求。选择了合理的文丘里喷嘴结构后，通过计算的得出各部分的尺寸，采用分段加工的方式，最后设计出了文丘里管的三维模型。

［1］ Lefebvre Arthur H，Wang X F，Martin C A．Spray characteristics of aerated－liquid pressure atomizers［J］．AIAA JProp Power，1988(4):293－231．

［2］ Croesler T，Lefebvre A H．Studies on Aerated－liquid Atomization．International［J］．of Turdo and Jet Engines，1989(6):221－229．

［3］ 刘联胜，杨 华．环状出口气泡雾化喷嘴液膜破碎过程与喷雾特性［J］．燃烧科学与技术，2005(11):2－5．

［4］ 梁晓燕．气泡雾化喷嘴的试验研究及数值模拟［D］．南京:东南大学，2005．

［5］ 付 勇．文丘里管内空泡动力学特性研究［D］．大连:大连理工大学，2013．