在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)中,鏈式輸送機械是流水作業(yè)運輸線與自動化生產(chǎn)線*的組成部分。它可與工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)流程中的工藝過程結合在一起,已是成套生產(chǎn)設備中的一個有機組成單元。作為鏈式輸送機械的一個種類,承托式鏈式輸送機是一種地面輸送機,它可以沿水平方向或傾斜方向輸送物品,在冶金、煤炭、化工、汽車、電力、機械制造等工業(yè)領域得到廣泛的應用。
ANSYS軟件是一款融結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型C屁通用有限元分析軟件,具有*的機械結構分析能力圖?？蓪Y構進行靜力學、動力學和非線性分析等。機械、建筑、化工等領域已經(jīng)逐漸應用ANSYS軟件進行各種性能分析和優(yōu)化設計。本文應用ANSYS有限元軟件對頭輪轉軸進行應力和應變分析。
優(yōu)化分析的目的
承托式鏈式輸送機一般運載強度大、運轉時間長(幾乎處于不停機狀態(tài)),為低速重載的工作環(huán)境,且經(jīng)常用于運行環(huán)境惡劣、運載物具有腐蝕性和銳角的場合。因此要求其結構必須能滿足運行條件。另外,承托式鏈式輸送機與其他鏈式輸送機相比自重較大,要求其結構有足夠的強度。在承托式鏈式輸送機的各組成部件中,鏈輪、輸送鏈條和轉軸受力zui大,受力形式也zui復雜。

在設計承托式鏈式輸送機(以下簡稱輸送機)時,因為輸送鏈條有國家標準,鏈輪設計也已經(jīng)標準化,只有與鏈輪相連的轉軸受力大,且沒有相應的結構設計標準。另外,由于該輸送機運載的物體體積較大,整個輸送過程要求鏈條滾子滾動摩擦,這些都使得轉軸的長度增加,無法采用經(jīng)驗方法來正確估算轉軸的結構參數(shù)。因此,為了減少輸送機的自重,滿足輸送機的結構強度,本文對輸送機的頭輪轉軸進行結構優(yōu)化設計。
有限元分析及優(yōu)化
根據(jù)整條輸送線的設計要求,采用3DcAD繪圖軟件得到了輸送機頭輪轉軸的結構形式,以及與它配合工作的其他零件的大致結構和尺寸(見圖1)。頭輪轉軸使用了階梯軸形式,一端伸出,并有鍵槽、倒角、退刀槽等功能或工藝結構(見圖2)。
2.1建立有限元模型
對頭輪轉軸進行優(yōu)化設計時,首先分析其受力情況(見圖3)。該轉軸通過V帶輪獲得動力,鏈輪帶動鏈條和鏈板運動。在運動過程中,頭輪轉軸主要受到Z方向的拉力與X軸上的轉矩?？紤]到輸送機的運行狀況,在建立轉軸的有限元模型時,去掉鍵槽、倒角、退刀槽等以簡化模型。先以光軸建立模型并分析得出其小直徑d,再通過增加臺階來保證轉軸的可靠性。由于光軸為等截面實體,可以用PIPE16單元來模擬和簡化其受力分析。

在對轉軸進行邊界條件約束時,根據(jù)軸承座的實際工作情況和固定方式,該處節(jié)點的X、y、z軸方向的位移以及繞Y、Z軸的轉動固定。另外,因為該轉軸的轉速低,在右端的軸承座處固定其繞X軸方向的轉動,并且假設固定其轉動后,整個轉軸的應力將會增加,也就是此時的分析結果將會比軸實際所受的應力大。這種假設雖然會導致直徑d的值偏大,但只要這種應力偏差值與轉軸的應力總值相比很小,則偏差值可認為是設計余量,起到保護作用。通過上述分析,對轉軸的分析為靜態(tài)彈性小位移結構應力分析。在模型網(wǎng)格化之后,按照頭輪轉軸的受力圖對有限元模型施加靜力和力矩,zui后求解。

通過對輸送機頭輪轉軸的優(yōu)化設計,可以看出有限元分析軟件在結構設計中的應用方法及其取得的效果。同樣,可以使用有限元分析軟件對輸送機其他零部件進行優(yōu)化設計,以減少成本或驗證結構的可靠性。從對轉軸的優(yōu)化設計可以看出,應用有限元軟件改變了以往被動校核的設計方法,使得設計能在邊界條件內得到*值,保證了設計的合理性。

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