基于NX Nastran的機械式挖掘機滑輪軸的分析優化

仝雷強，譚 彬，王曉明

（太原重工股份有限公司，山西 太原 030024）

引言

NX軟件被當今許多世界領先的制造商應用于概念設計、工業設計、詳細的機械設計以及工程仿真和數字化的制造等各個領域，是當前世界主流CAD/CAE/CAM軟件之一[1]。

NX Nastran集成在NX軟件中，是一個通用的有限元分析程序[2]，NX Nastran集成的優點是避免模型和分析軟件之間相互轉換的麻煩[3]。在根據分析結果對模型進行針對性的快速結構修改后，更新有限元網格重新分析計算即可快速了解優化后的應力狀況。

滑輪軸是礦用挖掘機最主要的受力件之一，它兩端通過軸座固定在起重臂頂部上，中間安裝有2組滑輪軸承，挖掘機提升時鏟斗和物料的自重及挖掘中的提升力均由提升鋼繩通過混輪軸承作用到滑輪軸上。由于挖掘機的工作環境非常惡劣，挖掘過程中經常由于爆破不完全或物料變化出現過載的情況，這樣提升力就會加大，因此滑輪軸必須有足夠的強度和剛度[4]。其次，滑輪軸位于挖掘機工作裝置的前段，其質量直接影響整機的穩定性以及挖掘機上部工作裝置回轉時的轉動慣量，因此合理地減輕滑輪軸的質量，能夠有效降低能源消耗，降低成本，提高挖掘機作業效率。 綜上所述，強度、剛度、質量、成本上的要求使得滑輪軸結構的分析優化顯得十分必要。

1 滑輪軸受力分析

機械式挖掘機的提升鋼絲繩由2根組成，均為定長鋼絲繩，由于鋼絲繩是彈性體，并且交叉在4個繩槽內，故此處2根鋼絲繩對2個滑輪可以按照均布載荷且大小相同來進行計算滑輪軸的強度。

由于滑輪軸的尺寸，本次選用有限元分析程序NX Nastran 7.5中四面體四節點實體單元，建立載荷工況下的有限元分析模型，采用接觸算法及關鍵區域網格配對技術，進行滑輪軸的性能分析。滑輪軸在起重臂頂部的由軸座固定，其中一端采用卡板固定，另一端軸向不固定。

在施加邊界約束條件和力的分布上，太原重工股份有限公司將該結構等效簡化為一端固定，一端鉸接的簡支梁模型。滑輪軸中部靠近兩側處受到來自滑輪軸承的豎直向下的力，均勻分布在一定寬度范圍內，如圖1所示。

圖1 滑輪軸的工況載荷受力與約束

2 初始結構分析

滑輪軸有限元分析主要包括通過網格加密等技術，計算出滑輪軸的應力、撓度以及扭轉角的大小與分布。計算結果如下頁圖2、圖3所示，對滑輪軸進行有限元分析的VON MISES等效應力和位移分布云圖。

圖2和圖3中標尺上的數字對應不同的位移或應力，其中，VON MISES等效應力是按第四強度理論確定的：

圖2 滑輪軸的初始VON MISES等效應力圖

圖3 滑輪軸的初始位移云圖

如圖2、圖3所示，初始VON MISES等效應力最大值為220 MPa，最大位移0.514 mm，應力最大值出現在軸肩倒角處，最大位移出現在軸的中間位置。

3 優化

根據初步分析結果，即圖2、圖3的VON MISES等效應力以及位移分布圖，認為軸肩處的倒角導致軸上出現了局部的應力集中，而其他位置的應力都比較小，說明滑輪軸的直徑設計偏大，個別位置應力很小，顯得比較笨重，而軸肩處出現的應力集中對于設備運行中的循環應力容易出現疲勞失效。

滑輪軸中間處的最大位移0.514 mm，但此處未安裝軸承，僅有一個隔開2軸承的套，該套與滑輪軸之間的間隙較大，對軸中心處的位移不敏感。安裝軸承處的最大位移約0.3 mm，但此處單位長度的撓度變化很小，對于軸與軸承安裝處的配合影響較小，綜合上述，軸的位移的變化是可以接受的。

因此對于軸的優化，主要體現在減小軸肩處的應力集中，適當增加應力較大處的尺寸，減小強度冗余處的尺寸，具體更改方案為：增大2個軸肩處的倒角尺寸至6 mm，減小兩端靠近端面處的直徑，同時略微降低軸的直徑，降低兩端軸肩處的直徑落差。

圖4 滑輪軸優化后的VON MISES等效應力圖

圖5 滑輪軸優化后的位移云圖

優化后的結果：如圖4、圖5所示，滑輪軸肩處應力最大，軸的最大VON MISES等效應力為σ=195 MPa；滑輪軸在中間的位移最大，軸的最大位移為ω=0.58 mm。

與原設計相比，優化以后最大應力顯著降低，撓度變化不大，同時質量由 1 412 kg降低到1 376 kg。

4 結語

利用NX Nastran分析滑輪軸受力，利用參數化建模功能快速地針對薄弱部位以及設計冗余部位進行設計修改，可以快速評估優化后的結果。做到最大應力顯著下降，應變略有增大，而滑輪軸整體的質量由1 412 kg也顯著減少到1 376 kg，降低了制造成本，提高了機構運行效率，根據優化結果生產的產品在實際使用中一直很穩定。

[1] 洪如瑾.UG NX6 CAD進階培訓教程[M].北京:清華大學出版社,2009.

[2] 三維書屋工作室.UG NX7.0動力學與有限元分析從入門到精通[M].北京:機械工業出版社,2010.

[3] 沈春根,王貴成. UG NX7.0 有限元分析從入門與實例精講[M].北京:機械工業出版社,2011.

[4] 閻書文.機械式挖掘機設計[M].北京:機械工業出版,1982.