翻箱裝置主要結構強度分析

劉彬彬 王京育 張建 劉珺

摘要：本文將翻箱裝置的復雜結構進行分解分析，對主要受力結構進行有限元計算，分析應力分布和結構特點，檢驗各個結構是否滿足強度要求，并提出部分結構可以進行改進的建議，對以后類似機構的設計和生產提供參考和幫助。

關鍵詞：翻箱裝置;有限元;強度分析

1 引言

翻箱裝置是長高公司自主研發設計制造的新型翻箱喂料設備，用于煙草生產線的物流輸送，由于既定功能和外形尺寸等對設備的各種限制，該翻箱裝置采用以大懸臂夾持負載繞軸旋轉的工作方式，這使得懸臂和軸都處于較復雜和惡劣的受力環境，為了保證設備運行的可靠性及安全性，本文將對翻箱裝置的主要受力結構進行受力分析并進行有限元模擬。

2.翻箱裝置主要結構介紹

翻箱裝置主要由機架、軸、懸臂、框架和夾持臂等組成，如圖1所示。

機架用于提供支撐和固定;軸與減速機相連，用于傳遞動力;懸臂將軸與框架相連，框架和夾持臂直接用于固定和支撐來料載荷。由于結構復雜，連接方式多樣，很難對翻箱裝置整體進行受力分析和計算，本文將對軸、懸臂和框架等主要受力結構進行受力分析和有限元計算，并確認它們符合設計和使用要求。

3.主要結構的受力分析

3.1 軸的受力分析

軸的結構如圖2所示，它的兩端為圓軸，與減速機和軸承相連，中間段是截面為正方形的方軸，方軸段將通過螺栓與懸臂相連，它的受力狀態可以簡化為：與減速機相連的軸端為固定約束，軸承安裝位置為軸承支承約束，在方軸段受向下的力，大小為12040N，同時受大小為11000Nm的扭矩。

利用solidworks的有限元分析模塊對其進行有限元計算，軸在上述受力條件下的應力分布如圖3所示。

圖中顯示，軸最大應力為323.9MPa，出現在固定軸端的軸肩處，軸材料為45#鋼，屈服強度530 MPa，可以得到軸的使用安全系數為1.64，完全滿足設計要求，有較高的強度可靠性。由軸的應力分布圖中還可以發現，方軸段所受應力明顯偏低，遠遠小于材料屈服應力，以后設計中類似結構可以考慮采用空心結構代替，以降低加工難度和成本。

3.2 懸臂的受力分析

懸臂的結構形式如圖4，整體為焊接結構，它將驅動軸與承載載荷的框架連接在一起，是主要的受力結構之一。它的受力狀態可以簡化為：與驅動軸連接的平板為固定邊界條件，與框架的連接板受向下的壓力，大小為12040N，另外還受自身重力，大小為1925N。

經有限元計算，軸在上述受力條件下的應力分布如圖5所示。

圖中顯示，懸臂最大應力為69.8MPa，出現在筋板與立柱相連的位置，兩側對稱，與經驗判斷相符。懸臂材料為Q235，屈服強度220 MPa，可以得到懸臂的使用安全系數為3.15，雖然完全滿足設計和使用要求，但明顯偏大，造成不必要的浪費。從圖中可以看出，兩根立柱之間的連接橫梁應力分布均勻，且在結構上沒有危險受力點，所以在不影響其結構功能的前提下，可以適當進行減配。

3.3 框架的受力分析

框架的結構形式如圖6，它將直接承載載荷，是主要的受力結構之一。它的受力狀態為：與懸臂連接的安裝平板為固定邊界條件，框架與載荷接觸的平面受向下的壓力，大小為5000N，另外還受自身重力，大小為4500N。

經有限元計算，軸在上述受力條件下的應力分布如圖7所示。

圖7中顯示，框架最大應力為104.2MPa，出現在框架中立筋板的支撐位置，懸臂材料為Q235，屈服強度220 MPa，可以得到懸臂的使用安全系數為2.11，滿足設計及使用要求。框架整體應力分布均勻，僅在立筋支撐處應力出現集中，應該增加立筋數量，加強立筋強度，以降低立筋處應力集中程度。

4.結論

本文通過對翻箱機構主要受力部件分別進行有限元計算與分析，得到了翻箱機構主要部件機械強度滿足設計和使用要求的結論，同時根據計算結果，結合結構特點，對各個部件需要加強和可以簡化的部位給予建議，對以后類似機構的設計提供參考和幫助。

參考文獻

[1] 成大先主編，機械設計手冊（第四版），化學工業出版社，2008.1。