絞車(chē)輪轂有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘 要：文章以JTP-1.6型絞車(chē)為例，針對(duì)該絞車(chē)成本過(guò)高這一問(wèn)題，對(duì)絞車(chē)輪轂進(jìn)行分析，通過(guò)ANSYS有限元分析軟件建立了礦井絞車(chē)輪轂的有限元模型，分析輪轂在最大受力情況下的應(yīng)力集中情況以及變形位移情況，通過(guò)這些計(jì)算分析，為輪轂的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一些具有參考價(jià)值的建議，為現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：輪轂；有限元；ANSYS；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 創(chuàng)建輪轂結(jié)構(gòu)及力學(xué)模型

根據(jù)工程提供的圖紙創(chuàng)建輪轂的力學(xué)模型

考慮到輪轂幾何模型比較復(fù)雜，劃分單元網(wǎng)格時(shí)采用自由劃分，用四面體單元。劃分后的模型如圖1所示。

圖1網(wǎng)格劃分后的輪轂有限元模型 圖2 輪轂受載變形結(jié)果

2 施加約束和載荷

輪轂上受到的力主要有：

（1）滾筒對(duì)輪轂的作用力

提升機(jī)輪轂在工作中受到滾筒的作用，一是未纏到滾筒的鋼絲繩拉力使輪轂受壓和受扭，二是已纏上滾筒的鋼絲繩重量和滾筒重量產(chǎn)生的壓力，因此，在計(jì)算輪轂強(qiáng)度時(shí)，考慮纏滿三層的工況。

（2）主軸的支撐力和扭轉(zhuǎn)力

滾動(dòng)軸承對(duì)主軸起到支撐作用，同時(shí)又可以起到約束作用，防止輪轂的松動(dòng)，起到定位的的作用。主軸對(duì)輪轂的力是復(fù)雜的并且隨工況的變化而隨時(shí)變化。主要是傳遞的扭轉(zhuǎn)力距。對(duì)劃分網(wǎng)格后的有限元分析模型，對(duì)輪轂內(nèi)表面處采用全約束，對(duì)切向鍵與輪轂接觸處施加均布載荷，螺栓孔單方向施加均布載荷。

3 分析求解及結(jié)果處理

JTP-1.6絞車(chē)輪轂材料為45號(hào)鋼。表1 輪轂材料屬性參數(shù)表

表1輪轂材料屬性參數(shù)表

對(duì)建立好的輪轂有限元模型，執(zhí)行求解（solve）命令，即可完成對(duì)求解計(jì)算。

進(jìn)入ANSYS軟件的后處理器POST1，對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行查看及分析。在后處理模塊中，可以方便快捷地查看輪轂在受載情況下沿坐標(biāo)系X、Y、Z軸的變形結(jié)果、應(yīng)力分布云圖。

圖2所示為輪轂的變形結(jié)果。可以清楚地看到，在受載情況下，在輪轂的中間部位變形最大。在給定的載荷情況下，最大位移達(dá)到0.001mm，可見(jiàn)輪轂的剛度滿足要求。

圖3所示為輪轂提升狀態(tài)下的等效應(yīng)力云圖。在圖中，在右輪轂與主軸相接的部位應(yīng)力最大。在給定的載荷情況下，最大應(yīng)力達(dá)到0.271Mpa。

圖4所示為輪轂受制動(dòng)轉(zhuǎn)矩載荷時(shí)的等效應(yīng)力云圖。在圖中，在主軸與輪轂相接的部位應(yīng)力仍為最大。在給定的載荷情況下，最大應(yīng)力達(dá)到0.284Mpa。在制動(dòng)狀態(tài)下，滾筒側(cè)板上受有制動(dòng)力拒，所以輪轂鍵槽處出現(xiàn)應(yīng)力。

輪轂的設(shè)計(jì)滿足礦用絞車(chē)的安全使用要求，螺栓外緣可能出現(xiàn)變形過(guò)大現(xiàn)象，輪轂的變化很小，可以減小輪轂的直徑以降低成本。應(yīng)力集中出現(xiàn)在支撐板與輪轂交接部位。

4 輪轂的優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和ANSYS分析后輪轂的變形和最大應(yīng)力集中情況都遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足礦用絞車(chē)的安全使用要求，所以對(duì)輪轂的軸徑減小10mm的情況下再次對(duì)輪轂進(jìn)行有限元分析。

表2 輪轂優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

由表2可以得出：經(jīng)過(guò)優(yōu)化，在不影響輪轂的安全使用要求的前提下，輪轂的尺寸變小，重量減輕，成本降低，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。另外，由于ANSYS軟件提供了命令流文本的數(shù)據(jù)輸入方法，在對(duì)已有輪轂的變形設(shè)計(jì)或系列化設(shè)計(jì)中，僅需要對(duì)命令流中某些尺寸參數(shù)改變，便方便進(jìn)行新的校核，并且還可以在命令流文本中添加已有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，形成設(shè)計(jì)模塊。使用有限元軟件分析輪轂可以大大減少計(jì)算量，提高工作效率。

參考文獻(xiàn)

[1]濮良貴，紀(jì)名剛. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2006，5.

[2]潘英.礦山提升機(jī)械設(shè)計(jì)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2001，1.

[3]胡仁喜.ANSYS機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005，1.

[4]何風(fēng)梅.纏繞式提升機(jī)卷筒強(qiáng)度的有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2002，12.

作者簡(jiǎn)介：李濤濤（1983-），男，河南焦作人，教師，助理講師，2008年畢業(yè)于河南理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，大學(xué)本科學(xué)歷，現(xiàn)在河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院從事煤礦機(jī)械方面的教學(xué)與研究工作。endprint

摘 要：文章以JTP-1.6型絞車(chē)為例，針對(duì)該絞車(chē)成本過(guò)高這一問(wèn)題，對(duì)絞車(chē)輪轂進(jìn)行分析，通過(guò)ANSYS有限元分析軟件建立了礦井絞車(chē)輪轂的有限元模型，分析輪轂在最大受力情況下的應(yīng)力集中情況以及變形位移情況，通過(guò)這些計(jì)算分析，為輪轂的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一些具有參考價(jià)值的建議，為現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：輪轂；有限元；ANSYS；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 創(chuàng)建輪轂結(jié)構(gòu)及力學(xué)模型

根據(jù)工程提供的圖紙創(chuàng)建輪轂的力學(xué)模型

考慮到輪轂幾何模型比較復(fù)雜，劃分單元網(wǎng)格時(shí)采用自由劃分，用四面體單元。劃分后的模型如圖1所示。

圖1網(wǎng)格劃分后的輪轂有限元模型 圖2 輪轂受載變形結(jié)果

2 施加約束和載荷

輪轂上受到的力主要有：

（1）滾筒對(duì)輪轂的作用力

提升機(jī)輪轂在工作中受到滾筒的作用，一是未纏到滾筒的鋼絲繩拉力使輪轂受壓和受扭，二是已纏上滾筒的鋼絲繩重量和滾筒重量產(chǎn)生的壓力，因此，在計(jì)算輪轂強(qiáng)度時(shí)，考慮纏滿三層的工況。

（2）主軸的支撐力和扭轉(zhuǎn)力

滾動(dòng)軸承對(duì)主軸起到支撐作用，同時(shí)又可以起到約束作用，防止輪轂的松動(dòng)，起到定位的的作用。主軸對(duì)輪轂的力是復(fù)雜的并且隨工況的變化而隨時(shí)變化。主要是傳遞的扭轉(zhuǎn)力距。對(duì)劃分網(wǎng)格后的有限元分析模型，對(duì)輪轂內(nèi)表面處采用全約束，對(duì)切向鍵與輪轂接觸處施加均布載荷，螺栓孔單方向施加均布載荷。

3 分析求解及結(jié)果處理

JTP-1.6絞車(chē)輪轂材料為45號(hào)鋼。表1 輪轂材料屬性參數(shù)表

表1輪轂材料屬性參數(shù)表

對(duì)建立好的輪轂有限元模型，執(zhí)行求解（solve）命令，即可完成對(duì)求解計(jì)算。

進(jìn)入ANSYS軟件的后處理器POST1，對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行查看及分析。在后處理模塊中，可以方便快捷地查看輪轂在受載情況下沿坐標(biāo)系X、Y、Z軸的變形結(jié)果、應(yīng)力分布云圖。

圖2所示為輪轂的變形結(jié)果。可以清楚地看到，在受載情況下，在輪轂的中間部位變形最大。在給定的載荷情況下，最大位移達(dá)到0.001mm，可見(jiàn)輪轂的剛度滿足要求。

圖3所示為輪轂提升狀態(tài)下的等效應(yīng)力云圖。在圖中，在右輪轂與主軸相接的部位應(yīng)力最大。在給定的載荷情況下，最大應(yīng)力達(dá)到0.271Mpa。

圖4所示為輪轂受制動(dòng)轉(zhuǎn)矩載荷時(shí)的等效應(yīng)力云圖。在圖中，在主軸與輪轂相接的部位應(yīng)力仍為最大。在給定的載荷情況下，最大應(yīng)力達(dá)到0.284Mpa。在制動(dòng)狀態(tài)下，滾筒側(cè)板上受有制動(dòng)力拒，所以輪轂鍵槽處出現(xiàn)應(yīng)力。

輪轂的設(shè)計(jì)滿足礦用絞車(chē)的安全使用要求，螺栓外緣可能出現(xiàn)變形過(guò)大現(xiàn)象，輪轂的變化很小，可以減小輪轂的直徑以降低成本。應(yīng)力集中出現(xiàn)在支撐板與輪轂交接部位。

4 輪轂的優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和ANSYS分析后輪轂的變形和最大應(yīng)力集中情況都遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足礦用絞車(chē)的安全使用要求，所以對(duì)輪轂的軸徑減小10mm的情況下再次對(duì)輪轂進(jìn)行有限元分析。

表2 輪轂優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

由表2可以得出：經(jīng)過(guò)優(yōu)化，在不影響輪轂的安全使用要求的前提下，輪轂的尺寸變小，重量減輕，成本降低，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。另外，由于ANSYS軟件提供了命令流文本的數(shù)據(jù)輸入方法，在對(duì)已有輪轂的變形設(shè)計(jì)或系列化設(shè)計(jì)中，僅需要對(duì)命令流中某些尺寸參數(shù)改變，便方便進(jìn)行新的校核，并且還可以在命令流文本中添加已有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，形成設(shè)計(jì)模塊。使用有限元軟件分析輪轂可以大大減少計(jì)算量，提高工作效率。

參考文獻(xiàn)

[1]濮良貴，紀(jì)名剛. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2006，5.

[2]潘英.礦山提升機(jī)械設(shè)計(jì)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2001，1.

[3]胡仁喜.ANSYS機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005，1.

[4]何風(fēng)梅.纏繞式提升機(jī)卷筒強(qiáng)度的有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2002，12.

作者簡(jiǎn)介：李濤濤（1983-），男，河南焦作人，教師，助理講師，2008年畢業(yè)于河南理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，大學(xué)本科學(xué)歷，現(xiàn)在河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院從事煤礦機(jī)械方面的教學(xué)與研究工作。endprint

摘 要：文章以JTP-1.6型絞車(chē)為例，針對(duì)該絞車(chē)成本過(guò)高這一問(wèn)題，對(duì)絞車(chē)輪轂進(jìn)行分析，通過(guò)ANSYS有限元分析軟件建立了礦井絞車(chē)輪轂的有限元模型，分析輪轂在最大受力情況下的應(yīng)力集中情況以及變形位移情況，通過(guò)這些計(jì)算分析，為輪轂的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一些具有參考價(jià)值的建議，為現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：輪轂；有限元；ANSYS；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 創(chuàng)建輪轂結(jié)構(gòu)及力學(xué)模型

根據(jù)工程提供的圖紙創(chuàng)建輪轂的力學(xué)模型

考慮到輪轂幾何模型比較復(fù)雜，劃分單元網(wǎng)格時(shí)采用自由劃分，用四面體單元。劃分后的模型如圖1所示。

圖1網(wǎng)格劃分后的輪轂有限元模型 圖2 輪轂受載變形結(jié)果

2 施加約束和載荷

輪轂上受到的力主要有：

（1）滾筒對(duì)輪轂的作用力

提升機(jī)輪轂在工作中受到滾筒的作用，一是未纏到滾筒的鋼絲繩拉力使輪轂受壓和受扭，二是已纏上滾筒的鋼絲繩重量和滾筒重量產(chǎn)生的壓力，因此，在計(jì)算輪轂強(qiáng)度時(shí)，考慮纏滿三層的工況。

（2）主軸的支撐力和扭轉(zhuǎn)力

滾動(dòng)軸承對(duì)主軸起到支撐作用，同時(shí)又可以起到約束作用，防止輪轂的松動(dòng)，起到定位的的作用。主軸對(duì)輪轂的力是復(fù)雜的并且隨工況的變化而隨時(shí)變化。主要是傳遞的扭轉(zhuǎn)力距。對(duì)劃分網(wǎng)格后的有限元分析模型，對(duì)輪轂內(nèi)表面處采用全約束，對(duì)切向鍵與輪轂接觸處施加均布載荷，螺栓孔單方向施加均布載荷。

3 分析求解及結(jié)果處理

JTP-1.6絞車(chē)輪轂材料為45號(hào)鋼。表1 輪轂材料屬性參數(shù)表

表1輪轂材料屬性參數(shù)表

對(duì)建立好的輪轂有限元模型，執(zhí)行求解（solve）命令，即可完成對(duì)求解計(jì)算。

進(jìn)入ANSYS軟件的后處理器POST1，對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行查看及分析。在后處理模塊中，可以方便快捷地查看輪轂在受載情況下沿坐標(biāo)系X、Y、Z軸的變形結(jié)果、應(yīng)力分布云圖。

圖2所示為輪轂的變形結(jié)果。可以清楚地看到，在受載情況下，在輪轂的中間部位變形最大。在給定的載荷情況下，最大位移達(dá)到0.001mm，可見(jiàn)輪轂的剛度滿足要求。

圖3所示為輪轂提升狀態(tài)下的等效應(yīng)力云圖。在圖中，在右輪轂與主軸相接的部位應(yīng)力最大。在給定的載荷情況下，最大應(yīng)力達(dá)到0.271Mpa。

圖4所示為輪轂受制動(dòng)轉(zhuǎn)矩載荷時(shí)的等效應(yīng)力云圖。在圖中，在主軸與輪轂相接的部位應(yīng)力仍為最大。在給定的載荷情況下，最大應(yīng)力達(dá)到0.284Mpa。在制動(dòng)狀態(tài)下，滾筒側(cè)板上受有制動(dòng)力拒，所以輪轂鍵槽處出現(xiàn)應(yīng)力。

輪轂的設(shè)計(jì)滿足礦用絞車(chē)的安全使用要求，螺栓外緣可能出現(xiàn)變形過(guò)大現(xiàn)象，輪轂的變化很小，可以減小輪轂的直徑以降低成本。應(yīng)力集中出現(xiàn)在支撐板與輪轂交接部位。

4 輪轂的優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和ANSYS分析后輪轂的變形和最大應(yīng)力集中情況都遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足礦用絞車(chē)的安全使用要求，所以對(duì)輪轂的軸徑減小10mm的情況下再次對(duì)輪轂進(jìn)行有限元分析。

表2 輪轂優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

由表2可以得出：經(jīng)過(guò)優(yōu)化，在不影響輪轂的安全使用要求的前提下，輪轂的尺寸變小，重量減輕，成本降低，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。另外，由于ANSYS軟件提供了命令流文本的數(shù)據(jù)輸入方法，在對(duì)已有輪轂的變形設(shè)計(jì)或系列化設(shè)計(jì)中，僅需要對(duì)命令流中某些尺寸參數(shù)改變，便方便進(jìn)行新的校核，并且還可以在命令流文本中添加已有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，形成設(shè)計(jì)模塊。使用有限元軟件分析輪轂可以大大減少計(jì)算量，提高工作效率。

參考文獻(xiàn)

[1]濮良貴，紀(jì)名剛. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2006，5.

[2]潘英.礦山提升機(jī)械設(shè)計(jì)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2001，1.

[3]胡仁喜.ANSYS機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005，1.

[4]何風(fēng)梅.纏繞式提升機(jī)卷筒強(qiáng)度的有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2002，12.

作者簡(jiǎn)介：李濤濤（1983-），男，河南焦作人，教師，助理講師，2008年畢業(yè)于河南理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，大學(xué)本科學(xué)歷，現(xiàn)在河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院從事煤礦機(jī)械方面的教學(xué)與研究工作。endprint