基于A(yíng)NSYS Workbench的投料機(jī)傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)

車(chē)兆華

(蚌埠化工機(jī)械制造有限公司,蚌埠 233010)

基于A(yíng)NSYS Workbench的投料機(jī)傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)

車(chē)兆華

(蚌埠化工機(jī)械制造有限公司,蚌埠 233010)

投料機(jī)作為浮法玻璃生產(chǎn)線(xiàn)的重要設(shè)備,其規(guī)格越來(lái)越大,其重要性也更加顯著。其傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作為該設(shè)備的核心部件,也是舉足輕重。該文通過(guò)ANSYS Workbench的先進(jìn)設(shè)計(jì)手段對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行建模、仿真、優(yōu)化,可以更加合理地進(jìn)行設(shè)計(jì)的選材、布置和優(yōu)化,保證整個(gè)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性。

傳動(dòng)軸; 建模; 仿真; 優(yōu)化

ANSYS Workbench為綜合應(yīng)用CAD和CAE軟件提供了全新的平臺(tái),稱(chēng)為協(xié)同仿真環(huán)境,在此環(huán)境,可以對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化、試驗(yàn)進(jìn)行協(xié)同管理,實(shí)現(xiàn)各軟硬件及數(shù)據(jù)資源的共享與交流,因其功能性的強(qiáng)大,而廣泛地應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)設(shè)計(jì)與制造、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。該系統(tǒng)還提供了與大多數(shù)商用CAD軟件的接口,從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的快速、便捷的建模,使設(shè)計(jì)流程高度融合,對(duì)于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速升級(jí)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了高效的手段。該文借助于A(yíng)NSYS Workbench廣泛的CAE功能,對(duì)浮法玻璃生產(chǎn)線(xiàn)用大型投料機(jī)的傳動(dòng)軸進(jìn)行有限元分析,從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì),體現(xiàn)科學(xué)性的目的。

1 傳動(dòng)軸的工況及荷載分析計(jì)算

根據(jù)多年來(lái)設(shè)計(jì)成形的最終產(chǎn)品,投料機(jī)傳動(dòng)軸的傳動(dòng)原理如圖1所示,電動(dòng)機(jī)3、減速機(jī)2,通過(guò)過(guò)橋齒輪箱1將電機(jī)的動(dòng)力傳送到傳動(dòng)軸,在傳動(dòng)軸的兩端分別連接一個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu),帶動(dòng)投料鏟做直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng),從而將所需要投入的原料投入到熔窯的熔化池中。

傳動(dòng)軸作為整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要零件,承擔(dān)了傳動(dòng)過(guò)程中扭矩的傳遞,考慮到在機(jī)器的整個(gè)工作過(guò)程中,要求投送料的量是均勻一致的,且在工作過(guò)程中電機(jī)輸出功率同樣要求均勻穩(wěn)定。因傳動(dòng)軸的線(xiàn)速度較小,排除了因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力的影響,傳動(dòng)軸的受力狀態(tài)不隨時(shí)間的變化而變化,因而可以考慮成靜力狀態(tài)。在靜力狀態(tài)下,傳動(dòng)軸受到了來(lái)自過(guò)橋齒輪直接作用的切向力,兩端軸承座產(chǎn)生的支撐力和兩端連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的阻力。

此例中所選的電動(dòng)機(jī)型號(hào)為T(mén)YBZ-1100-160L-4,功率為11 k W,轉(zhuǎn)速為150～1 500 r/min;減速機(jī)型號(hào)為YNS-395-80-I,傳動(dòng)比為i=80;過(guò)橋齒輪箱為一對(duì)齒輪嚙合的非標(biāo)產(chǎn)品,其減速比為3.97,其傳動(dòng)系統(tǒng)的總減速比為317.6。投料機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng),見(jiàn)圖1。

根據(jù)該系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù),鑒于此系統(tǒng)中的傳動(dòng)軸主要是完成動(dòng)力的傳遞,且自身質(zhì)量、體積不大,基本可以不用考慮軸自身的質(zhì)量帶來(lái)彎矩的影響。分析此系統(tǒng)時(shí),僅考慮軸的扭矩對(duì)軸的影響?？紤]到電機(jī)通常使用輸出的轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,可以計(jì)算出傳動(dòng)軸傳遞的扭矩為21 800 N·m。根據(jù)靜力平衡原理,除兩端軸承座對(duì)傳動(dòng)軸形成約束外,兩端的曲柄連桿機(jī)構(gòu)形成的阻力所產(chǎn)生的阻力矩應(yīng)該為過(guò)橋齒輪傳遞力矩,即每個(gè)阻力矩為10 900 N·m。

2 有限元建模及網(wǎng)絡(luò)劃分

ANSYS Workbench系統(tǒng)通常有幾種建模方式,其一主要是由商業(yè)CAD軟件如pro/E、Solidwork、AutoCAD inventer等建立2D或3D結(jié)構(gòu)模型后,通過(guò)ANSYS Workbench的insert命令導(dǎo)入并可在DM模塊中進(jìn)行編輯、修改等;另一種是在A(yíng)NSYS Workbench系統(tǒng)中的DM模塊中直接進(jìn)行3D模型的建模,具有直接、方便的特點(diǎn),但適應(yīng)于結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的零部件建模。圖2為在DM模塊中建立的傳動(dòng)軸的模型。

在對(duì)機(jī)械零部件進(jìn)行有限元分析的過(guò)程中需要設(shè)置元件的材料屬性,通常包括材料的質(zhì)量密度、彈性模量、泊松比等。其在A(yíng)NSYS Workbench系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,通常是在engineering data菜單中的general materials下的structural steel中添加并進(jìn)行相應(yīng)的修改、編輯。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)資料表明,該案例傳動(dòng)軸材料選用45#鋼,查閱相關(guān)文獻(xiàn)和技術(shù)手冊(cè)得材料的質(zhì)量密度為7 890 kg/m3,彈性模量E為2.09×1011N/m2,泊松比μ=0.269,屈服強(qiáng)度為355 MPa。

ANSYS Workbench12.1為CAE的過(guò)程提供了多種網(wǎng)絡(luò)方式,從簡(jiǎn)單、自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)及高度復(fù)雜的流體網(wǎng)絡(luò)。尤其是自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的方式,可以實(shí)現(xiàn)智能缺省設(shè)置的幾何體網(wǎng)絡(luò)初始化,達(dá)到網(wǎng)絡(luò)在第一次使用時(shí)就可以生成。考慮到計(jì)算機(jī)的能力限制,此文采用的是automatic method方式。選擇了協(xié)調(diào)分片算法(patch conforming),網(wǎng)絡(luò)劃分的具體參數(shù)主要有:選擇的物理場(chǎng)為Mechanical,網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)度設(shè)置Relevance為0,網(wǎng)格參數(shù)Min Size為采用系統(tǒng)缺省值2.35E-003,Max Face Size為5E-003 m,Minimum Edge Length同樣采用系統(tǒng)缺省值為4.9512E-004 m。形成節(jié)點(diǎn)數(shù)為10 841個(gè),單元數(shù)為6 106個(gè)。網(wǎng)絡(luò)劃分結(jié)構(gòu)圖,如圖3所示。

3 加載及約束

為了保證傳動(dòng)軸的正常工作,其傳動(dòng)系統(tǒng)從受力情況分析可以看出是處于靜力平衡狀態(tài),因而可以得出系統(tǒng)通過(guò)過(guò)橋齒輪箱通過(guò)鍵連接傳遞到傳動(dòng)軸的扭矩為21 800 N·m。在傳動(dòng)軸的兩端通過(guò)鍵連接并傳遞的曲柄連桿機(jī)構(gòu)形成的阻力扭矩,其之和也應(yīng)為21 800 N·m且平均分擔(dān),即為10 900 N·m。兩端軸承座對(duì)傳動(dòng)軸形成的支撐,通過(guò)添加約束而達(dá)到加載的效果。傳動(dòng)軸載荷及約束加載圖,如圖4所示。

4 載荷計(jì)算

在A(yíng)NSYS workbench中的solution選項(xiàng)中插入Total deformation和Equivalent Stress結(jié)論選項(xiàng),求得的等效應(yīng)力與總變形云圖,如圖5、圖6所示。

從等效應(yīng)力云圖5可以看出,發(fā)生在兩端與曲柄連桿機(jī)構(gòu)的連接處及過(guò)橋齒輪與軸連接的軸頸處,其最大等效應(yīng)力為4.550 3×108Pa,而最小等效應(yīng)力基本上發(fā)生在整個(gè)傳動(dòng)軸的最大直徑的一段,越遠(yuǎn)離過(guò)橋齒輪箱,其等效應(yīng)力越小,其最小值為10 901 Pa。從總變形云圖6來(lái)看,基本上與等效應(yīng)力的變化趨勢(shì)相當(dāng),在三個(gè)受到力矩作用的區(qū)域變形最大,其最大值為0.159 02 mm,而最小值則發(fā)生在遠(yuǎn)離過(guò)橋齒輪箱的另一端,其最小值為0。

5 結(jié) 論

從以上分析,可以看出傳動(dòng)軸無(wú)論是總的變形還是等效應(yīng)力兩方面的參數(shù),均能滿(mǎn)足傳動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求。但通過(guò)Ansys workbench的分析,也可以得出結(jié)論,整個(gè)傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)從軸的參數(shù)和軸的材料的選擇,還有較大的優(yōu)化空間。同時(shí),在傳動(dòng)布置方面,如果能夠?qū)⑦^(guò)橋齒輪箱的位置稍加改變,對(duì)于整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的受力及經(jīng)濟(jì)性會(huì)更加有利。

[1] 雷海勝.五面加工中心主軸的建模及Ansys workbench仿真分析[J].武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2012,46(9):26-30.

[2] ANSYS—CHINA北京辦事處.ANSYS Workbench安世亞太中文培訓(xùn)資料[EB/OL].百度文庫(kù),2008-08-02.

[3] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第五版)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[4] 宋志安,于 濤,李 紅.機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析——Ansys Bench的工程應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2010.

Design of Transmission Shaft of Feeding Machine on the Base of ANSYS Workbench

CHE Zhao-hua
(Bengbu Chemical Machinery Manufacturing Co,Ltd,Bengbu 233010,China)

As an important equipment of float glass production line,the specification of the feeding machine is growing,its importance is also more remarkable.The transmission system design as the core component of the equipment, is also very important.Transmission shaft through the advanced design means of the ANSYS Workbench for modeling,simulation and optimization,it can achieve more reasonable material selection,arrangement and optimization of design,ensure the scientific nature and economy.

transmission shaft; modeling; simulation; optimization

2014-08-10.

車(chē)兆華(1965-),高級(jí)工程師.E-mail:czh3645@163.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.016