一種偏心滑輪支架的設計與優化

曹振波 巴慶江

摘? 要：偏心滑輪機構應用廣泛，在重型機械、航空航天、機床、冶金、核工程等多個領域有著廣泛應用。本文基于一種偏心滑輪機構，提出了基于Solidworks 的偏心滑輪支架設計，并提出了一種利用Solidworks Simulation對該偏心滑輪支架進行分析和優化的方法。通過對偏心滑輪螺釘安裝部分的計算，對偏心滑輪支架的整體結構進行了優化，使得偏心滑輪支架的結構更加合理，降低了偏心滑輪支架重量，能夠滿足偏心滑輪支架的使用要求。

關鍵詞：偏心滑輪? 支架? 分析? 優化

中圖分類號：P631? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）09（c）-0072-03

Abstract： Eccentric pulley mechanism is widely used in heavy machinery， aerospace， machine tools， metallurgy， nuclear engineering and other fields. Based on a kind of eccentric pulley mechanism， this paper puts forward the design of eccentric pulley bracket based on SolidWorks， and puts forward a method to analyze and optimize the eccentric pulley bracket by using SolidWorks simulation. Through the calculation of the screw installation part of the eccentric pulley， the overall structure of the eccentric pulley bracket is optimized， which makes the structure of the eccentric pulley bracket more reasonable， reduces the weight of the eccentric pulley bracket， and can meet the use requirements of the eccentric pulley bracket.

Key Words： Eccentric pulley; Bracket; Analysis; Optimization

滑輪機構應用廣泛，在重型機械、航空航天、機床、冶金、核工程等多個領域有著廣泛應用。其中，偏心滑輪機構通常利用在結構緊湊、空間狹小的機械設備上。合肥工業大學的袁斌提出了一種偏心機構的計算與分析方法，該方法應用于電纜搭建領域[1]。北京理工大學的李德雄提出了一種適用于機械照相機上的偏心滑輪機構[2]。武漢船舶職業技術學院的于靖華提出了一種蘋果采摘裝置，其中使用了偏心滑輪座機構[3]。沈陽建筑大學的李斌等提出了一種四連桿式吊重自平衡系統[4]。在我公司某設備中，滑輪與安裝面中心的偏心達到110mm，鋼絲繩拉力8000N，這些機構機器類似機構雖說在其所在行業有一定應用價值，但并不能滿足我設備使用要求。東華大學的寧方剛提出了一種適用于紡織行業的偏心滑輪的分析方法[5]，沈卓等人提出了一種單出繩俯仰纏繞系統對堆料機偏心臂架的受力分析方法，對偏心滑輪的計算與分析有一定的借鑒意義[6];因此，需要設計一種能夠滿足較大偏心要求的偏心滑輪機構，特別是偏心滑輪支架，對于設備的設計和推廣有著重要的意義。

1? 偏心滑輪機構的設計

通過對偏心滑輪使用工況的分析，偏心滑輪機構設計為由滑輪架、滑輪、滑輪軸等組成的機構。滑輪架主體材料為Q235-B，其結構包括安裝座、滑輪安裝座、滑輪架過渡部分。滑輪架過渡部分中間切掉一些材料，作為安裝螺釘的工藝槽。滑輪為外購件，選擇能夠滿足16000N拉力的型號。

由于滑輪與滑輪架安裝面沿著滑輪軸向中心有110mm偏心，因此會造成滑輪架承受彎矩1760Nm彎矩。如果滑輪架過渡部分采用一塊鋼板的機構，偏心會造成鋼板應力過大。通過有限元分析可得到，當該鋼板厚度為15mm時，鋼板應力超過1000MPa，這樣的應力會造成鋼板拉斷，因此過渡部分增加了鋼板垂直方向的筋作為加強。

2? 滑輪架的優化

滑輪架的優化采用Solidworks 軟件的Simulation插件。通過Solidworks對滑輪架進行建模，分析采用靜力學分析模塊。

由于滑輪兩側的鋼絲繩呈180°角，且鋼絲繩方向與安裝座安裝平面垂直，因此鋼絲繩通過滑輪和滑輪軸傳遞給滑輪安裝座的力為16000N，作用點在滑輪幾何中心，該力與安裝座幾何中心的高度差為110mm。為了表征該受力，在SolidWorks Simulation中在滑輪架上滑輪軸的兩安裝面加在16000N合力，方向垂直于滑輪安裝座向外。

滑輪架安裝座采用□100法蘭，在以法蘭中心為中心的□70位置均布4個Φ17.5孔用于安裝M16螺釘。為了表征螺釘對滑輪架的固定，在安裝座的4個Φ17.5孔處采用“固定”約束。

在有限元分析前，對模型進行了簡化。簡化原則為：

（1）忽略了倒角的影響;

（2）忽略了圓角的影響;

（3）對于模型中的厚度較薄的小特征部分進行了簡化。

簡化模型后，進行網格生成設置。采用標準網格，網格最大特征4.5mm，最小特征0.225mm，自動過渡。網格生成圖解如圖2所示。

使用“加網格并運行”功能對滑輪架進行分析。分析云圖如圖3所示。

通過分析，滑輪架應力最大處應力157.5MPa，安全系數S = 235 / 157.5 = 1.49，滿足使用要求。

3? 滑輪架的安裝校核

滑輪架利用4個M16螺釘安裝在基座上。滑輪架的受力如圖4所示。

圖4左側兩個螺紋孔處受力均為F1，右側兩個螺紋孔處受力均為F2，力F和力F1之間距離為75，螺紋孔間距70。根據杠桿原理可以得出，F1=16571N，F2=8571N。

圖4所示為滑輪架受力圖，F1方向為圖中向下方向。因此，滑輪架加載在螺釘上的受力與圖4種F1方向相反，也就是說F1處每個螺釘受拉力16571N。M16螺釘小徑13.835mm。螺釘選用35材料，則螺釘應力如下：

35鋼螺栓屈服強度320MPa，安全系數取3～2，此處取2.2，則螺釘許用應力如下：

螺釘應力小于螺釘許用應力，螺釘滿足使用要求。

4? 結語

偏心滑輪機構廣泛應用于結構緊湊、空間受限的機械結構中，由于滑輪偏心造成的偏載扭矩是偏心滑輪機構設計的重點考慮項，也是設計的難點。本文提出了一種偏心滑輪機構，提出了一種偏心滑輪機構設計和滑輪架優化、校核的方法。該偏心滑輪機構能夠滿足較大偏心和較大的拉力，未來將在空間受限的機構中得到廣泛應用。

參考文獻

[1] 李斌，王甜，劉慶.塔機旋擺小車四連桿式吊重自平衡系統研究[J].建筑機械，2019（518）：71-75，80.

[2] 李德熊.偏心滑輪間歇輸片機構的改進[J].光子學報，1992（3）：272-279.

[3] 余靖華.一種蘋果采摘裝置設計[J].農業技術與裝備，2020（1）：33-34.

[4] 沈卓，吳沙坪，花麗君.單出繩俯仰纏繞系統對堆料機偏心臂架的受力分析[J].港口裝卸，2017（4）：4-6.

[5] 江西鼎峰裝備科技有限公司，一種逃生裝置，中國， 201821791750.5[P].2018-11-01.

[6] 寧方剛.繩纜編織結構建模及其繞滑輪彎曲疲勞性能研究[D].上海：東華大學，2016.

[7] 袁斌.抱桿螺栓連接節點與銷軸連接節點力學分析[D].合肥：合肥工業大學，2019.