XJFH-5/35-5100气动绞车制动蹄焊接件的有限元分析及优化

晁旭彤，郭志平，张艳峰，李瑞平，李国威，杨燕昭

（内蒙古工业大学机械学院，内蒙古 呼和浩特010051）

1 前言

气动绞车是以气动马达为动力，通过齿轮减速机构驱动，结构紧凑，操作方便，工作安全，维护简单，运转平稳，广泛用于油田，海上平台，游轮，地质钻井，矿山开发等易燃易爆场所的安全作业。随着气动绞车的普遍应用，其安全性也越来越受到重视。气动绞车额定载荷下制动时产生很大的力作用在其制动蹄焊接件上，极有可能造成制动蹄焊接件断裂，从而造成安全事故。因此，本文针对山东泰安巨菱机械生产的XJFH-5/35-5100气动绞车在制动时制动带抱紧卷筒的受力状态进行可靠性分析。

2 有限元分析

2.1 三维模型参数

如图1所示，制动蹄焊接件由钢板、支撑板、加强板构成，通过螺栓与接地支架固定，总长260 mm，总宽64 mm，总高 361 mm，弧形钢板内表面与刹车带螺纹连接，通过销轴孔与制动杆连接。

图1 制动蹄焊接件三维模型

2.2 制动蹄焊接件受力分析

载重为50 kN时，刹车带松边拉力作用在制动蹄焊接件上，如图2。

图2 整机简图

(1)刹车带受力分析

刹车带的力学模型如图3所示。

图3 刹车带的力学模型

图中的各力有如下关系：

式中T——刹车带紧边力，N

t——刹车带松边力，N

MT——制动力矩，N·m

D——制动轮直径，m

根据欧拉公式，在刹车带两端拉力之间存在着下列关系：

式中e——自然对数的底

μ——摩擦系数，μ=0.35

α——刹车带包角，此时取1.83π

则 eμα=7.5。

将相关参数代入式（1），得

作用在刹车带松边上的力为t=3829N。制动蹄焊接件的上侧销轴处的拉力为3829N。

2.3 对制动蹄焊接件进行静力学分析

将使用UG建立的三维模型导入COMSOL中，制动蹄焊接件材料为Q235，据计算可得到作用在制动蹄焊接件的上侧销轴处的拉力为3829 N，销轴处添加位移约束，下侧与机座连接处添加固定约束。

图4 应力分析云图

图5 应变分析云图

分析得制动蹄焊接件最大应力为33.3MPa，最大应变约为 3.5×10-5，安全系数为 S=[σ]/σ=7.1。

3 结构优化

由于应力集中在销轴处，很容易工作时发生断裂而引起事故，因此未优化的结构的安全系数不能满足现实需求。针对这一需求，我们将制动蹄焊接件支撑板做出格外加厚3 mm的优化设计，从而防止销轴孔处因应力集中而断裂。

优化后最大应力为22.1 MPa，制动蹄焊接件安全系数为10.6，优化后安全系数大大提高。

图6 优化后应力分析图

图7 优化后应变分析图

4 结论

对XJFH-5/35-5100气动绞车制动蹄焊接件进行静力学分析，在对其支撑板进行加厚优化后，大大提高了其工作安全系数，既简便又提高了可靠性。