基于ANSYS的全自动洗箱机输送链有限元分析

武涛

（江苏财经职业技术学院智能制造综合实训中心，江苏淮安 223003）

0 引言

由于全自动洗箱机的输送链传动带动22个箱笼，每个箱笼里有4个放置饮料瓶子的箱子，在超声波作用下，在水箱中进行清洗，承受载荷较大，工作环境相对恶劣，载荷情况较复杂，在实际生产中链轮的磨损情况严重。一旦链轮磨损破坏将直接影响到生产的进度，因此改善链轮的受力状况是急需解决的问题，需要利用有限元法对链轮进行应力分析，不断提高其结构强度，改善链轮的受力状况，降低洗箱机的事故率。

1 洗箱机输送链链轮的有限元分析

1.1 有限元模型的建立

利用SolidWorks建立链轮和链条的三维模型，并将链轮和滚子进行装配，考虑到计算机的计算效率，在建模时适当忽略倒角及圆角。将模型存为x-t的格式，然后导入到ANSYS Workbench中。

1.2 分析前处理

首先对输送链链轮进行参数设置，材料采用结构钢，其相关参数为：弹性模量E=210 GPa，泊松比v=0.3，密度为ρ=7.8×103kg/m3。由于链轮链条的模型很复杂，在进行网格划分时选取实体单元Solid45进行自由网格划分。自由网格划分自动化程度较高，采用四面体网格,节点数目为321 562，单元数目为218 891。将链轮和滚子设置为柔体-柔体接触，并设置为面面接触，其中设置链轮为接触面，滚子设置为目标面。

然后对输送链链轮进行载荷及约束条件的施加。根据洗箱机的输送链的实际工作情况对链轮进行加载，链轮在径向和轴向的位移均为0，只在周向有位移。为了保证链轮和链条的同步转动，需要将链轮在链条运动时的接触部位进行周向的位移耦合。在运动过程中，链条和链轮啮合，链轮受到链条传递的转矩，链轮带动链条运动，进而带动箱笼进行运动[1-5]。

图1 输送链链轮和滚子装配图

图2 输送链轮的有限元网格划分

清洗机使用两条并列链条进行拖动，但分析时应取极限情况，假设力矩全部为一侧链轮和链条承受。电动机堵转时转矩T1′=4122.1 N·m。对滚子的内表面沿x、y、z三个方向施加位移约束，使其固定不动；对链轮施加轴向和径向的约束，同时在链轮的内圈施加转矩。

图3 输送链轮的位移施加

图4 输送链轮的力施加

1.3 有限元求解及结果分析

通过有限元分析，得出输送链轮和滚子的等效应力和等效应变，其中图5所示为输送链轮的等效应变云图，图6所示为滚子的等效应变云图，图7所示为输送链轮的等效应力云图，最大应力为80.62 MPa，图8所示为单个滚子的等效应力云图，最大应力为123.46 MPa，发生在链轮链齿的低端，此处受力最大，容易发生齿的折断。而滚子则发生在与链轮接触的部位，受力最大。

图5 输送链轮的等效应变云图

图6 输送链条滚子的等效应变云图

图7 输送链轮的等效应力云图

图8 输送链滚子的等效应力云图

链轮的材料为45钢，其许用应力为245 MPa；滚子的材料为40Cr，其许用应力为548.6 MPa；对比最大应力和材料的许用应力，可知此处接触安全可靠。

2 洗箱机输送链内链节的有限元分析

该传输装置主要由销轴（如图9）、内链板（如图10）、外链板（如图10）、滚子（如图11）组成，内链板与销轴之间为间隙配合，外链板与销轴之间为过盈配合，滚子和销轴是间隙作用，内外链板交错连接，构成铰链。

图9 销轴

图10 内链板或外链板

图11 滚子

图12为外链板的链板附件——特殊件，此链板附件不仅起到传动作用，还具有固定箱笼的作用，其他普通链节仅起到传动作用。

图12 链板附件——特殊件

链传动装置的使用寿命与链的材料和热处理方式有关。下面对链传动装置的内链节进行静力学分析。

图13 组装的链节

2.1 内链节的有限元静力学分析前处理

模型导入：利用SolidWorks绘制内链板，将其保存为x-t格式，然后导入到ANSYS Workbench中，如图14所示。设置内链板的材料属性：弹性模量E=210 GPa，泊松比v=0.3，密度为ρ=7.8×103kg/m3。

图14 内链板的模型图

网格划分：内外链板的网格划分采用自由网格划分法。

载荷施加：链节在工作时，主要承受滚子和套筒的拉力，载荷施加在2个滚子的内侧面的120°范围内和2个套筒的左右两个侧面120°范围内，定义Pressure载荷，链板所受到的最大拉力（计算参数同上）为

式中：A为滚子上所受的面积。滚子的直径为42 mm，宽度为24 mm，得出在120°范围内受力面积为1055.04 mm2，代入式（2），计算得出P为19.05 MPa。

图15 内链节的有限元网格划分

其中内链板的位移约束，施加在内链板内外侧面的所有点，施加面位移约束，约束Z轴方向的自由度，同时在内链板的中间圆弧过渡处节点的X方向的自由度加以约束[6-7]。

2.2 内链节的有限元结果分析

由图16可以看出，链节套筒在拉力载荷作用下发生弯曲和剪切变形，最大弯曲应力发生在链节的中间位置，内链节的最大应力为70.389 MPa，内链板销孔处的应力分布在销轴孔的左右两个外侧，并逐渐向外辐射减小。图17为内链节的等效应变云图，从图中可以看出，在拉力的载荷作用下，内链节发生弹性变形，最大剪切变形发生在套筒和内链板的间隙处。

图16 内链节的等效应力云图

图17 内链节的弹性变形云图

链节的材料为40Cr，其许用应力为548.6 MPa；对比最大应力和材料的许用应力，可知此处接触安全可靠。

链轮上应力最大的部位是与链条直接接触的轮齿部位，其他部位的应力相对较小，并且轮齿的应力要高于链条的应力。因此轮齿附近的受力状况很重要，需要对其进行尺寸优化，以改善其受力状况。

3 结语

对链传动中的内链节和链轮进行有限元的静力学分析，经过有限元分析计算得出：链轮的最大弹性变形为0.6 μm，最大应力为114.38 MPa，发生在链轮链齿的低端，此处受力最大，容易发生齿的折断。而滚子与链轮接触的部位受力最大。在拉力载荷作用下，链节套筒发生弯曲和剪切变形，最大弯曲应力发生在链节的中间位置，内链节的最大应力为125.11 MPa，内链板销孔处的应力分布在销轴孔的左右两个外侧，并向外辐射逐渐减小。