起重機(jī)底盤翻轉(zhuǎn)機(jī)回轉(zhuǎn)軸可靠性分析

王豪

（徐工集團(tuán)徐州重型機(jī)械有限公司，江蘇徐州221004）

0 引言

目前底盤裝配線普遍采用車架倒置方法來安裝懸掛系統(tǒng)和車轎等底盤下側(cè)的部件，然后采用底盤翻轉(zhuǎn)機(jī)將裝配好的底盤翻轉(zhuǎn)180°，再進(jìn)行上車部分裝配，這樣操作方便快捷，得到了普遍應(yīng)用。回轉(zhuǎn)軸作為底盤翻轉(zhuǎn)機(jī)的核心部件，其工作性能直接關(guān)系到設(shè)備能否正常工作。在底盤翻轉(zhuǎn)作業(yè)過程中，回轉(zhuǎn)軸的失效將導(dǎo)致整個(gè)底盤生產(chǎn)線停滯，會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法通常采用確定的許用應(yīng)力法和安全系數(shù)法對(duì)機(jī)械零部件和相對(duì)簡單的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將影響零件工作性能的設(shè)計(jì)變量，如應(yīng)力、強(qiáng)度極限、安全系數(shù)、載荷和幾何尺寸等按確定數(shù)值處理，采用確定性的函數(shù)關(guān)系式對(duì)零件進(jìn)行研究。這種設(shè)計(jì)方法直觀明確，應(yīng)用方便。但是由于沒有考慮客觀事物不確定性質(zhì)，因此不能真實(shí)反映客觀情況。計(jì)算中只要安全系數(shù)符合實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)規(guī)定數(shù)值，就認(rèn)為是安全的，具有較大的經(jīng)驗(yàn)性。為了使零件具有較高安全系數(shù)，選材方面使用優(yōu)質(zhì)材料或者盲目加大幾何尺寸，增大了經(jīng)濟(jì)成本造成資源浪費(fèi)。針對(duì)這種情況，本文采用ANSYS Workbench軟件六西瑪設(shè)計(jì)模塊，將回轉(zhuǎn)軸幾何尺寸、載荷等參數(shù)視為隨機(jī)變量，采用響應(yīng)面法，結(jié)合應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論，計(jì)算回轉(zhuǎn)軸的可靠性。

1 結(jié)構(gòu)可靠性分析基本原理及方法

1.1 基本原理

結(jié)構(gòu)可靠性是指在給定條件下和給定使用壽命下不產(chǎn)生被破壞或功能失效的能力，通常采用可靠性特征值中的可靠度對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行衡量。在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性分析時(shí)，設(shè)定影響結(jié)構(gòu)可靠性的基本隨機(jī)變量為X1，X2，…，Xn，則該結(jié)構(gòu)功能函數(shù)為 Z=g（X1，X2，…，Xn）。假定結(jié)構(gòu)抗力隨機(jī)變量為R，荷載效應(yīng)隨機(jī)變量為S，應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型認(rèn)為，當(dāng)R>S時(shí)就不會(huì)發(fā)生失效，可靠度即為發(fā)生失效的概率，則功能函數(shù)也表示為Z=R-S，因此g（X1，X2，…，Xn）≥0 的概念即為結(jié)構(gòu)可靠度［1］。在應(yīng)力和強(qiáng)度分布類型和分布參數(shù)已知條件下，采用ANSYS Workbench六西格瑪模塊求解出可靠度大小。

在結(jié)構(gòu)可靠度數(shù)值模擬計(jì)算中，響應(yīng)面法作為一種試驗(yàn)方法得到廣泛應(yīng)用。它求解的基本思想是采用數(shù)學(xué)函數(shù)來表達(dá)隨機(jī)輸入變量對(duì)于隨機(jī)輸出變量的影響，然后進(jìn)行可靠性分析［2］。主要用于處理幾個(gè)變量對(duì)同一體系或者結(jié)構(gòu)影響。ANSYS Workbench六西格瑪模塊就是基于這種算法對(duì)結(jié)構(gòu)可靠度進(jìn)行求解，它要求在設(shè)計(jì)中1 000 000件產(chǎn)品中失效產(chǎn)品個(gè)數(shù)為3.4件的概率。

1.2 ANSYS Workbench可靠性分析步驟

ANSYS Workbench作為一個(gè)集成框架，它將經(jīng)典ANSYS的大部分軟件整合在一起，在實(shí)現(xiàn)其功能的同時(shí)，又具有良好的人機(jī)交換界面。它的六西格瑪模塊為用戶提供了進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠性分析的設(shè)計(jì)平臺(tái)。在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性分析時(shí)，一般有定義分析文件、可靠性分析和結(jié)果后處理三個(gè)步驟：

1）生成分析文件階段。運(yùn)用DesighModeler模塊和Static Structural模塊，建立有限元分析所需要文件，主要包括建立有限元模型、定義用于可靠性設(shè)計(jì)的輸入變量和輸出變量、求解等。

2）可靠性分析階段。先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法分析，建立六西格瑪設(shè)計(jì)時(shí)所需要響應(yīng)面；然后采用Design Explorationk中的Six Sigma Analysis對(duì)輸入變量的分布類型、分布函數(shù)進(jìn)行定義；選擇抽樣方法和抽樣數(shù)量。

3）結(jié)果后處理階段。后處理過程主要包括繪制各個(gè)輸入變量取值分布柱形圖；靈敏度分析和失效概率分布函數(shù)等。

2 回轉(zhuǎn)軸可靠性分析

2.1 有限元模型建立

根據(jù)回轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)形式和尺寸值，采用DesignModeler模塊中Geometry建立回轉(zhuǎn)軸有限元分析模型。為了避免在求解過程中出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，在建模過程中對(duì)回轉(zhuǎn)軸倒角和圓角等進(jìn)行了簡化。根據(jù)銷軸的結(jié)構(gòu)形式，采用基于TGRID算法的四面體網(wǎng)格劃分，生成有限元模型，如圖1所示。

圖1 回轉(zhuǎn)軸有限元模型

根據(jù)回轉(zhuǎn)軸受力分析，回轉(zhuǎn)軸主要承受液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)力矩M以及在回轉(zhuǎn)過程中鏈輪對(duì)它的拉力，受力簡圖如圖2所示。對(duì)軸承支承處施加位移固定約束。對(duì)回轉(zhuǎn)軸軸端施加力矩約束；對(duì)轉(zhuǎn)軸內(nèi)徑處施加力約束。受力分析結(jié)果分別為FX=56 740 N、FY=32 760 N和M=4.23×106N。

圖2 回轉(zhuǎn)軸受力簡圖

2.2 分析與計(jì)算

回轉(zhuǎn)軸主要幾體參數(shù)如表1所示，影響其可靠性的主要參數(shù)包括銷軸安裝孔內(nèi)徑R1、鏈輪安裝孔內(nèi)徑R2、轉(zhuǎn)軸外徑R3和鏈輪寬度L1?？煽啃苑治鲋饕芯恳陨细鲄?shù)對(duì)回轉(zhuǎn)軸性能的影響，并且確定各輸入變量服從的分布類型、分布函數(shù)及其參數(shù)，如表1所示。

表1 回轉(zhuǎn)軸幾何參數(shù)

在對(duì)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，直方圖主要用來查看概率設(shè)計(jì)中各變量的離散分布，以便驗(yàn)證所選用的樣本數(shù)據(jù)是否按照給定的概率分布抽樣獲得［3］。該抽樣中循環(huán)抽樣次數(shù)取值為1 000，然后對(duì)回轉(zhuǎn)軸進(jìn)行可靠性數(shù)值模擬分析。得到的輸入變量直方圖如圖3和圖4所示。這些直方圖基本接近于正態(tài)分布概率函數(shù)曲線，各鄰近子序列塊中也無較大間隙且曲線比較光滑，直方圖結(jié)果表明所選抽樣次數(shù)可以滿足分析要求。通過圖5和圖6響應(yīng)面圖也可以驗(yàn)證所選抽樣點(diǎn)是正確的。

圖3 輸入?yún)?shù)R1抽樣直方圖

圖4 輸入扭矩載荷M抽樣直方圖

2.3 可靠性結(jié)果分析

如圖7所示，等效應(yīng)力靈敏度分析圖可以得到回轉(zhuǎn)軸的敏感度，影響回轉(zhuǎn)軸失效的最主要因素為轉(zhuǎn)矩M，其次是銷軸安裝孔內(nèi)徑R1和轉(zhuǎn)軸外徑R3。這樣要求在回轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)制造過程中，應(yīng)該對(duì)這兩個(gè)參數(shù)加強(qiáng)檢驗(yàn)和控制，以提高結(jié)構(gòu)可靠性。此外，回轉(zhuǎn)軸可靠度對(duì)轉(zhuǎn)矩M的靈敏度為負(fù)數(shù)，表明在轉(zhuǎn)矩M增大時(shí)，回轉(zhuǎn)軸所受等效應(yīng)力最大值也相應(yīng)增大，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性也隨之降低。

圖5 輸入?yún)?shù)R1和R3響應(yīng)面圖

圖6 輸入?yún)?shù)R2和轉(zhuǎn)矩M響應(yīng)面圖

圖7 敏感度圖

在可靠性分析中，累積分布函數(shù)是用于查看零件可靠性的工具，它在任一點(diǎn)的數(shù)值等于數(shù)據(jù)出現(xiàn)在該點(diǎn)之下的概率值。從圖8可以看出，回轉(zhuǎn)軸所受最大等效應(yīng)力的分布區(qū)間為［175 MPa，189 MPa］。相對(duì)回轉(zhuǎn)軸所用材料為45鋼屈服強(qiáng)度為355 MPa而言，安全因子為1.9，有較大的安全裕量。如圖9所示，安全因子最大值分布區(qū)間［1.3，1.45］，結(jié)果表明回轉(zhuǎn)軸在現(xiàn)有工況條件下具有足夠大的安全裕量，不會(huì)存在失效情況，可靠度為1。證明該回轉(zhuǎn)軸在翻轉(zhuǎn)機(jī)工作過程中具有足夠的結(jié)構(gòu)可靠性。

圖8 最大等效應(yīng)力抽樣直方圖和累積分布函數(shù)

圖9 安全因子抽樣直方圖累積分布函數(shù)

3結(jié)語

本文以ANSYS WorkBench有限元軟件為工具，對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)回轉(zhuǎn)軸進(jìn)行可靠性分析，證明該軸在實(shí)際工況下可以滿足現(xiàn)有工況的可靠性要求。還介紹了可靠性設(shè)計(jì)的一般方法。對(duì)于工藝裝備的可靠性分析具有參考價(jià)值。

［1］ 趙國藩，金偉良，貢金鑫，等．結(jié)構(gòu)可靠度理論［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000：79-98.

［2］ 博弈創(chuàng)作室．ANSYS9.0經(jīng)典產(chǎn)品高級(jí)分析技術(shù)與實(shí)例詳解［M］．北京：中國水利水電出版社，2005：298-310.

［3］ 吳岳，何永勇.基于ANSYS的掘進(jìn)裝備典型結(jié)構(gòu)可靠性分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（9）：49-51.