翻箱装置主要结构强度分析

刘彬彬 王京育 张建 刘珺

摘要：本文将翻箱装置的复杂结构进行分解分析，对主要受力结构进行有限元计算，分析应力分布和结构特点，检验各个结构是否满足强度要求，并提出部分结构可以进行改进的建议，对以后类似机构的设计和生产提供参考和帮助。

关键词：翻箱装置;有限元;强度分析

1 引言

翻箱装置是长高公司自主研发设计制造的新型翻箱喂料设备，用于烟草生产线的物流输送，由于既定功能和外形尺寸等对设备的各种限制，该翻箱装置采用以大悬臂夹持负载绕轴旋转的工作方式，这使得悬臂和轴都处于较复杂和恶劣的受力环境，为了保证设备运行的可靠性及安全性，本文将对翻箱装置的主要受力结构进行受力分析并进行有限元模拟。

2.翻箱装置主要结构介绍

翻箱装置主要由机架、轴、悬臂、框架和夹持臂等组成，如图1所示。

机架用于提供支撑和固定;轴与减速机相连，用于传递动力;悬臂将轴与框架相连，框架和夹持臂直接用于固定和支撑来料载荷。由于结构复杂，连接方式多样，很难对翻箱装置整体进行受力分析和计算，本文将对轴、悬臂和框架等主要受力结构进行受力分析和有限元计算，并确认它们符合设计和使用要求。

3.主要结构的受力分析

3.1 轴的受力分析

轴的结构如图2所示，它的两端为圆轴，与减速机和轴承相连，中间段是截面为正方形的方轴，方轴段将通过螺栓与悬臂相连，它的受力状态可以简化为：与减速机相连的轴端为固定约束，轴承安装位置为轴承支承约束，在方轴段受向下的力，大小为12040N，同时受大小为11000Nm的扭矩。

利用solidworks的有限元分析模块对其进行有限元计算，轴在上述受力条件下的应力分布如图3所示。

图中显示，轴最大应力为323.9MPa，出现在固定轴端的轴肩处，轴材料为45#钢，屈服强度530 MPa，可以得到軸的使用安全系数为1.64，完全满足设计要求，有较高的强度可靠性。由轴的应力分布图中还可以发现，方轴段所受应力明显偏低，远远小于材料屈服应力，以后设计中类似结构可以考虑采用空心结构代替，以降低加工难度和成本。

3.2 悬臂的受力分析

悬臂的结构形式如图4，整体为焊接结构，它将驱动轴与承载载荷的框架连接在一起，是主要的受力结构之一。它的受力状态可以简化为：与驱动轴连接的平板为固定边界条件，与框架的连接板受向下的压力，大小为12040N，另外还受自身重力，大小为1925N。

经有限元计算，轴在上述受力条件下的应力分布如图5所示。

图中显示，悬臂最大应力为69.8MPa，出现在筋板与立柱相连的位置，两侧对称，与经验判断相符。悬臂材料为Q235，屈服强度220 MPa，可以得到悬臂的使用安全系数为3.15，虽然完全满足设计和使用要求，但明显偏大，造成不必要的浪费。从图中可以看出，两根立柱之间的连接横梁应力分布均匀，且在结构上没有危险受力点，所以在不影响其结构功能的前提下，可以适当进行减配。

3.3 框架的受力分析

框架的结构形式如图6，它将直接承载载荷，是主要的受力结构之一。它的受力状态为：与悬臂连接的安装平板为固定边界条件，框架与载荷接触的平面受向下的压力，大小为5000N，另外还受自身重力，大小为4500N。

经有限元计算，轴在上述受力条件下的应力分布如图7所示。

图7中显示，框架最大应力为104.2MPa，出现在框架中立筋板的支撑位置，悬臂材料为Q235，屈服强度220 MPa，可以得到悬臂的使用安全系数为2.11，满足设计及使用要求。框架整体应力分布均匀，仅在立筋支撑处应力出现集中，应该增加立筋数量，加强立筋强度，以降低立筋处应力集中程度。

4.结论

本文通过对翻箱机构主要受力部件分别进行有限元计算与分析，得到了翻箱机构主要部件机械强度满足设计和使用要求的结论，同时根据计算结果，结合结构特点，对各个部件需要加强和可以简化的部位给予建议，对以后类似机构的设计提供参考和帮助。

参考文献

[1] 成大先主编，机械设计手册（第四版），化学工业出版社，2008.1。