絞車輪轂有限元分析及優化設計

摘 要：文章以JTP-1.6型絞車為例，針對該絞車成本過高這一問題，對絞車輪轂進行分析，通過ANSYS有限元分析軟件建立了礦井絞車輪轂的有限元模型，分析輪轂在最大受力情況下的應力集中情況以及變形位移情況，通過這些計算分析，為輪轂的優化設計提供了一些具有參考價值的建議，為現場安全生產提供了有力的技術依據。

關鍵詞：輪轂；有限元；ANSYS；優化設計

1 創建輪轂結構及力學模型

根據工程提供的圖紙創建輪轂的力學模型

考慮到輪轂幾何模型比較復雜，劃分單元網格時采用自由劃分，用四面體單元。劃分后的模型如圖1所示。

圖1網格劃分后的輪轂有限元模型 圖2 輪轂受載變形結果

2 施加約束和載荷

輪轂上受到的力主要有：

（1）滾筒對輪轂的作用力

提升機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生的壓力，因此，在計算輪轂強度時，考慮纏滿三層的工況。

（2）主軸的支撐力和扭轉力

滾動軸承對主軸起到支撐作用，同時又可以起到約束作用，防止輪轂的松動，起到定位的的作用。主軸對輪轂的力是復雜的并且隨工況的變化而隨時變化。主要是傳遞的扭轉力距。對劃分網格后的有限元分析模型，對輪轂內表面處采用全約束，對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 分析求解及結果處理

JTP-1.6絞車輪轂材料為45號鋼。表1 輪轂材料屬性參數表

表1輪轂材料屬性參數表

對建立好的輪轂有限元模型，執行求解（solve）命令，即可完成對求解計算。

進入ANSYS軟件的后處理器POST1，對求解結果進行查看及分析。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系X、Y、Z軸的變形結果、應力分布云圖。

圖2所示為輪轂的變形結果。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，最大位移達到0.001mm，可見輪轂的剛度滿足要求。

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

圖4所示為輪轂受制動轉矩載荷時的等效應力云圖。在圖中，在主軸與輪轂相接的部位應力仍為最大。在給定的載荷情況下，最大應力達到0.284Mpa。在制動狀態下，滾筒側板上受有制動力拒，所以輪轂鍵槽處出現應力。

輪轂的設計滿足礦用絞車的安全使用要求，螺栓外緣可能出現變形過大現象，輪轂的變化很小，可以減小輪轂的直徑以降低成本。應力集中出現在支撐板與輪轂交接部位。

4 輪轂的優化設計

經過理論計算和ANSYS分析后輪轂的變形和最大應力集中情況都遠遠滿足礦用絞車的安全使用要求，所以對輪轂的軸徑減小10mm的情況下再次對輪轂進行有限元分析。

表2 輪轂優化前后參數對比

由表2可以得出：經過優化，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，達到預期的設計目的。另外，由于ANSYS軟件提供了命令流文本的數據輸入方法，在對已有輪轂的變形設計或系列化設計中，僅需要對命令流中某些尺寸參數改變，便方便進行新的校核，并且還可以在命令流文本中添加已有設計經驗，形成設計模塊。使用有限元軟件分析輪轂可以大大減少計算量，提高工作效率。

參考文獻

[1]濮良貴，紀名剛. 機械設計[M].北京：高等教育出版社，2006，5.

[2]潘英.礦山提升機械設計[M].徐州：中國礦業大學出版社，2001，1.

[3]胡仁喜.ANSYS機械設計[M].北京：機械工業出版社，2005，1.

[4]何風梅.纏繞式提升機卷筒強度的有限元優化設計[D].遼寧工程技術大學，2002，12.

作者簡介：李濤濤（1983-），男，河南焦作人，教師，助理講師，2008年畢業于河南理工大學機械設計制造及其自動化專業，大學本科學歷，現在河南工業和信息化職業學院從事煤礦機械方面的教學與研究工作。endprint

摘 要：文章以JTP-1.6型絞車為例，針對該絞車成本過高這一問題，對絞車輪轂進行分析，通過ANSYS有限元分析軟件建立了礦井絞車輪轂的有限元模型，分析輪轂在最大受力情況下的應力集中情況以及變形位移情況，通過這些計算分析，為輪轂的優化設計提供了一些具有參考價值的建議，為現場安全生產提供了有力的技術依據。

關鍵詞：輪轂；有限元；ANSYS；優化設計

1 創建輪轂結構及力學模型

根據工程提供的圖紙創建輪轂的力學模型

考慮到輪轂幾何模型比較復雜，劃分單元網格時采用自由劃分，用四面體單元。劃分后的模型如圖1所示。

圖1網格劃分后的輪轂有限元模型 圖2 輪轂受載變形結果

2 施加約束和載荷

輪轂上受到的力主要有：

（1）滾筒對輪轂的作用力

提升機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生的壓力，因此，在計算輪轂強度時，考慮纏滿三層的工況。

（2）主軸的支撐力和扭轉力

滾動軸承對主軸起到支撐作用，同時又可以起到約束作用，防止輪轂的松動，起到定位的的作用。主軸對輪轂的力是復雜的并且隨工況的變化而隨時變化。主要是傳遞的扭轉力距。對劃分網格后的有限元分析模型，對輪轂內表面處采用全約束，對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 分析求解及結果處理

JTP-1.6絞車輪轂材料為45號鋼。表1 輪轂材料屬性參數表

表1輪轂材料屬性參數表

對建立好的輪轂有限元模型，執行求解（solve）命令，即可完成對求解計算。

進入ANSYS軟件的后處理器POST1，對求解結果進行查看及分析。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系X、Y、Z軸的變形結果、應力分布云圖。

圖2所示為輪轂的變形結果。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，最大位移達到0.001mm，可見輪轂的剛度滿足要求。

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

圖4所示為輪轂受制動轉矩載荷時的等效應力云圖。在圖中，在主軸與輪轂相接的部位應力仍為最大。在給定的載荷情況下，最大應力達到0.284Mpa。在制動狀態下，滾筒側板上受有制動力拒，所以輪轂鍵槽處出現應力。

輪轂的設計滿足礦用絞車的安全使用要求，螺栓外緣可能出現變形過大現象，輪轂的變化很小，可以減小輪轂的直徑以降低成本。應力集中出現在支撐板與輪轂交接部位。

4 輪轂的優化設計

經過理論計算和ANSYS分析后輪轂的變形和最大應力集中情況都遠遠滿足礦用絞車的安全使用要求，所以對輪轂的軸徑減小10mm的情況下再次對輪轂進行有限元分析。

表2 輪轂優化前后參數對比

由表2可以得出：經過優化，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，達到預期的設計目的。另外，由于ANSYS軟件提供了命令流文本的數據輸入方法，在對已有輪轂的變形設計或系列化設計中，僅需要對命令流中某些尺寸參數改變，便方便進行新的校核，并且還可以在命令流文本中添加已有設計經驗，形成設計模塊。使用有限元軟件分析輪轂可以大大減少計算量，提高工作效率。

參考文獻

[1]濮良貴，紀名剛. 機械設計[M].北京：高等教育出版社，2006，5.

[2]潘英.礦山提升機械設計[M].徐州：中國礦業大學出版社，2001，1.

[3]胡仁喜.ANSYS機械設計[M].北京：機械工業出版社，2005，1.

[4]何風梅.纏繞式提升機卷筒強度的有限元優化設計[D].遼寧工程技術大學，2002，12.

作者簡介：李濤濤（1983-），男，河南焦作人，教師，助理講師，2008年畢業于河南理工大學機械設計制造及其自動化專業，大學本科學歷，現在河南工業和信息化職業學院從事煤礦機械方面的教學與研究工作。endprint

摘 要：文章以JTP-1.6型絞車為例，針對該絞車成本過高這一問題，對絞車輪轂進行分析，通過ANSYS有限元分析軟件建立了礦井絞車輪轂的有限元模型，分析輪轂在最大受力情況下的應力集中情況以及變形位移情況，通過這些計算分析，為輪轂的優化設計提供了一些具有參考價值的建議，為現場安全生產提供了有力的技術依據。

關鍵詞：輪轂；有限元；ANSYS；優化設計

1 創建輪轂結構及力學模型

根據工程提供的圖紙創建輪轂的力學模型

考慮到輪轂幾何模型比較復雜，劃分單元網格時采用自由劃分，用四面體單元。劃分后的模型如圖1所示。

圖1網格劃分后的輪轂有限元模型 圖2 輪轂受載變形結果

2 施加約束和載荷

輪轂上受到的力主要有：

（1）滾筒對輪轂的作用力

提升機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生的壓力，因此，在計算輪轂強度時，考慮纏滿三層的工況。

（2）主軸的支撐力和扭轉力

滾動軸承對主軸起到支撐作用，同時又可以起到約束作用，防止輪轂的松動，起到定位的的作用。主軸對輪轂的力是復雜的并且隨工況的變化而隨時變化。主要是傳遞的扭轉力距。對劃分網格后的有限元分析模型，對輪轂內表面處采用全約束，對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 分析求解及結果處理

JTP-1.6絞車輪轂材料為45號鋼。表1 輪轂材料屬性參數表

表1輪轂材料屬性參數表

對建立好的輪轂有限元模型，執行求解（solve）命令，即可完成對求解計算。

進入ANSYS軟件的后處理器POST1，對求解結果進行查看及分析。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系X、Y、Z軸的變形結果、應力分布云圖。

圖2所示為輪轂的變形結果。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，最大位移達到0.001mm，可見輪轂的剛度滿足要求。

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

圖4所示為輪轂受制動轉矩載荷時的等效應力云圖。在圖中，在主軸與輪轂相接的部位應力仍為最大。在給定的載荷情況下，最大應力達到0.284Mpa。在制動狀態下，滾筒側板上受有制動力拒，所以輪轂鍵槽處出現應力。

輪轂的設計滿足礦用絞車的安全使用要求，螺栓外緣可能出現變形過大現象，輪轂的變化很小，可以減小輪轂的直徑以降低成本。應力集中出現在支撐板與輪轂交接部位。

4 輪轂的優化設計

經過理論計算和ANSYS分析后輪轂的變形和最大應力集中情況都遠遠滿足礦用絞車的安全使用要求，所以對輪轂的軸徑減小10mm的情況下再次對輪轂進行有限元分析。

表2 輪轂優化前后參數對比

由表2可以得出：經過優化，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，達到預期的設計目的。另外，由于ANSYS軟件提供了命令流文本的數據輸入方法，在對已有輪轂的變形設計或系列化設計中，僅需要對命令流中某些尺寸參數改變，便方便進行新的校核，并且還可以在命令流文本中添加已有設計經驗，形成設計模塊。使用有限元軟件分析輪轂可以大大減少計算量，提高工作效率。

參考文獻

[1]濮良貴，紀名剛. 機械設計[M].北京：高等教育出版社，2006，5.

[2]潘英.礦山提升機械設計[M].徐州：中國礦業大學出版社，2001，1.

[3]胡仁喜.ANSYS機械設計[M].北京：機械工業出版社，2005，1.

[4]何風梅.纏繞式提升機卷筒強度的有限元優化設計[D].遼寧工程技術大學，2002，12.

作者簡介：李濤濤（1983-），男，河南焦作人，教師，助理講師，2008年畢業于河南理工大學機械設計制造及其自動化專業，大學本科學歷，現在河南工業和信息化職業學院從事煤礦機械方面的教學與研究工作。endprint