基于WorkBench的電動葫蘆聯接軸強度分析

毛敏

摘 要：借助SolidWorks與WorkBench間接口完美對接的優點，對鋼絲繩電動葫蘆聯接軸進行簡化建模，繼而于WorkBench中采用實體單元類型建立有限元模型，靜載工況下對其總體變形、等效應力及最大切應力進行計算分析，對聯接軸的深入、精細及經濟性地優化設計具有重要指導意義。

關鍵詞：聯接軸；強度分析；應力

引言

作為一種輕小型起重設備的鋼絲繩電動葫蘆，其具有結構緊湊、自重輕、體積小、操作方便等優點[1]，而且滑輪組結構及倍率具有多種組合方式，除具有固定、懸掛安裝方式外，亦可以低凈空、雙吊點型式安裝，能夠有效改善勞動條件，提高生產率，在各大工業中得以廣泛使用。但目前社會所要求的工業精細化發展中的電動葫蘆設計受到了一定條件的制約，以被廣泛應用了近40年的CD1型電動葫蘆為例，發展中仍遇到一些問題諸如缺乏優化設計精準計算公式及經驗、向更為輕巧的方向設計同樣受到一定技術條件的制約等等。借助于機械技術和電子、微電子技術以及國際先進的精確、快速的計算機軟件計算技術等先進方法有效地促進了電動葫蘆零部件及整體結構以及種類、類型和控制精度水平等方面的快速發展。

1.有限元模型的建立

以某品牌的CD1型鋼絲繩電動葫蘆中的重要承載軸聯接軸為例，利用建模軟件SolidWorks進行三維建模，其中形狀突變處即有可能存在應力集中處如銷軸孔、螺紋等處在建模中不可簡化忽略；同時在聯接軸圓柱面上分割出實際工作過程中的固定圓環面以及承受加載力面，如圖1示。利用其與有限元分析軟件WorkBench間接口的近乎無縫的鏈接，直接導入WorkBench中。根據聯接軸自身的結構特征，鑒于8節點實體單元Solid185的每個節點具有沿著x，y.z三個方向的平移自由度，同時具有超彈性、蠕變、應力鋼化以及大變形和大應變等特征[2]，采用該單元類型進行網格劃分創建有限元模型，如圖2所示。模型材料選用20鋼，其屈服極限 。

圖1. 聯接軸3D模型

圖2. 聯接軸有限元模型

2.強度計算、分析

按照該型號鋼絲繩電動葫蘆額定載荷5t，外加卷筒、鋼絲繩、電機、減速機、制動裝置及吊鉤滑輪組等附件重量167Kg，施加于懸掛板與其接觸部位，設置求解條件及相應參數進行求解，其整體變形如圖3示，相應的等效應力如圖4示。明顯地，變形出現三個部位，其中兩受力支點中間75mm長度范圍內的變形最大為0.17942mm，兩支點附近為變形過度區，另外，同一大小的變形以近乎圓環形式出現，是因為聯接軸受力后，以中性面為分界，圓柱面下半部分受拉應力上半部分受壓應力，變形可由第四強度理論解釋，即物體因外力作用而產生彈性變形時，外力在相應位移上做功，能量在物體內部積蓄，亦即變形能，這種積蓄的能量與3個主應力有關即 ，當外力克服分子力而會產生晶體間的滑移運動，外力越大越明顯，隨著滑移的不斷積累，而最終產生較大彈性變形，而當外力足以克服材料所許用應力時，材料變產生不可恢復性的塑性變形，如圖4中A-A剖面可見，其拉壓應力最大值為 ，因而該聯接軸的安全系數 ，充分地滿足了塑性材料的安全系數1.5～2.5的要求[3]，另外，從該剖面視圖可見，材料由表及里等效應力逐級呈水紋狀遞減，心部受力較小，因而在軸的優化設計過程中，可適當考慮用空心或針對表面應力分布較大部分進行熱處理或機械強化處理。

圖3.聯接軸整體變形趨勢圖

圖4. 等效應力云圖

圖5為計算所得聯接軸最大切應力云圖，與等效應力分布大致相似，兩支點中間長度范圍內拉壓區域最大剪切應力大致相同，但其最大值出現于軸和電動葫蘆連接板相接觸部位，在周期性的起吊、卸載工作過程中該處始終處于交變的疲勞應力狀態，因而對該處與連接板接觸的圓周厚度為圖示紅色區域進行有效地強化處理，對提高軸的壽命及減小因軸磨損而導致電動葫蘆車輪與導軌摩擦等故障缺陷有著十分重要的意義。

圖5. 切應力云圖

3.結論

通過對聯接軸進行靜強度分析，較為精確地計算出鋼絲繩電動葫蘆聯接軸靜態剛度、總體變形趨勢、等效應力和最大切應力分布云圖，通過分析其中變形和應力的分布趨勢，在優化設計階段相比傳統力學經驗計算公式，文中給出了一種更為精確、有效、直觀的設計理念，從而科學、有效地指導聯接軸的精益設計，

參考文獻：

[1]張質文等.起重機設計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2013.

[2]溫正等.ANSYS14.0有限元分析權威指南[M].北京：機械工業出版社，2013.

[3]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2011.