起重機底盤翻轉機回轉軸可靠性分析

王豪

（徐工集團徐州重型機械有限公司，江蘇徐州221004）

0 引言

目前底盤裝配線普遍采用車架倒置方法來安裝懸掛系統和車轎等底盤下側的部件，然后采用底盤翻轉機將裝配好的底盤翻轉180°，再進行上車部分裝配，這樣操作方便快捷，得到了普遍應用。回轉軸作為底盤翻轉機的核心部件，其工作性能直接關系到設備能否正常工作。在底盤翻轉作業過程中，回轉軸的失效將導致整個底盤生產線停滯，會造成巨大經濟損失。傳統的機械設計方法通常采用確定的許用應力法和安全系數法對機械零部件和相對簡單的機械系統進行設計和研究。在傳統設計中，將影響零件工作性能的設計變量，如應力、強度極限、安全系數、載荷和幾何尺寸等按確定數值處理，采用確定性的函數關系式對零件進行研究。這種設計方法直觀明確，應用方便。但是由于沒有考慮客觀事物不確定性質，因此不能真實反映客觀情況。計算中只要安全系數符合實際使用經驗規定數值，就認為是安全的，具有較大的經驗性。為了使零件具有較高安全系數，選材方面使用優質材料或者盲目加大幾何尺寸，增大了經濟成本造成資源浪費。針對這種情況，本文采用ANSYS Workbench軟件六西瑪設計模塊，將回轉軸幾何尺寸、載荷等參數視為隨機變量，采用響應面法，結合應力-強度干涉理論，計算回轉軸的可靠性。

1 結構可靠性分析基本原理及方法

1.1 基本原理

結構可靠性是指在給定條件下和給定使用壽命下不產生被破壞或功能失效的能力，通常采用可靠性特征值中的可靠度對結構可靠性進行衡量。在對結構進行可靠性分析時，設定影響結構可靠性的基本隨機變量為X1，X2，…，Xn，則該結構功能函數為 Z=g（X1，X2，…，Xn）。假定結構抗力隨機變量為R，荷載效應隨機變量為S，應力-強度干涉模型認為，當R>S時就不會發生失效，可靠度即為發生失效的概率，則功能函數也表示為Z=R-S，因此g（X1，X2，…，Xn）≥0 的概念即為結構可靠度［1］。在應力和強度分布類型和分布參數已知條件下，采用ANSYS Workbench六西格瑪模塊求解出可靠度大小。

在結構可靠度數值模擬計算中，響應面法作為一種試驗方法得到廣泛應用。它求解的基本思想是采用數學函數來表達隨機輸入變量對于隨機輸出變量的影響，然后進行可靠性分析［2］。主要用于處理幾個變量對同一體系或者結構影響。ANSYS Workbench六西格瑪模塊就是基于這種算法對結構可靠度進行求解，它要求在設計中1 000 000件產品中失效產品個數為3.4件的概率。

1.2 ANSYS Workbench可靠性分析步驟

ANSYS Workbench作為一個集成框架，它將經典ANSYS的大部分軟件整合在一起，在實現其功能的同時，又具有良好的人機交換界面。它的六西格瑪模塊為用戶提供了進行結構可靠性分析的設計平臺。在對結構進行可靠性分析時，一般有定義分析文件、可靠性分析和結果后處理三個步驟：

1）生成分析文件階段。運用DesighModeler模塊和Static Structural模塊，建立有限元分析所需要文件，主要包括建立有限元模型、定義用于可靠性設計的輸入變量和輸出變量、求解等。

2）可靠性分析階段。先進行實驗設計法分析，建立六西格瑪設計時所需要響應面；然后采用Design Explorationk中的Six Sigma Analysis對輸入變量的分布類型、分布函數進行定義；選擇抽樣方法和抽樣數量。

3）結果后處理階段。后處理過程主要包括繪制各個輸入變量取值分布柱形圖；靈敏度分析和失效概率分布函數等。

2 回轉軸可靠性分析

2.1 有限元模型建立

根據回轉軸結構形式和尺寸值，采用DesignModeler模塊中Geometry建立回轉軸有限元分析模型。為了避免在求解過程中出現不連續現象，在建模過程中對回轉軸倒角和圓角等進行了簡化。根據銷軸的結構形式，采用基于TGRID算法的四面體網格劃分，生成有限元模型，如圖1所示。

圖1 回轉軸有限元模型

根據回轉軸受力分析，回轉軸主要承受液壓馬達的驅動力矩M以及在回轉過程中鏈輪對它的拉力，受力簡圖如圖2所示。對軸承支承處施加位移固定約束。對回轉軸軸端施加力矩約束；對轉軸內徑處施加力約束。受力分析結果分別為FX=56 740 N、FY=32 760 N和M=4.23×106N。

圖2 回轉軸受力簡圖

2.2 分析與計算

回轉軸主要幾體參數如表1所示，影響其可靠性的主要參數包括銷軸安裝孔內徑R1、鏈輪安裝孔內徑R2、轉軸外徑R3和鏈輪寬度L1。可靠性分析主要研究以上各參數對回轉軸性能的影響，并且確定各輸入變量服從的分布類型、分布函數及其參數，如表1所示。

表1 回轉軸幾何參數

在對樣本進行統計分析時，直方圖主要用來查看概率設計中各變量的離散分布，以便驗證所選用的樣本數據是否按照給定的概率分布抽樣獲得［3］。該抽樣中循環抽樣次數取值為1 000，然后對回轉軸進行可靠性數值模擬分析。得到的輸入變量直方圖如圖3和圖4所示。這些直方圖基本接近于正態分布概率函數曲線，各鄰近子序列塊中也無較大間隙且曲線比較光滑，直方圖結果表明所選抽樣次數可以滿足分析要求。通過圖5和圖6響應面圖也可以驗證所選抽樣點是正確的。

圖3 輸入參數R1抽樣直方圖

圖4 輸入扭矩載荷M抽樣直方圖

2.3 可靠性結果分析

如圖7所示，等效應力靈敏度分析圖可以得到回轉軸的敏感度，影響回轉軸失效的最主要因素為轉矩M，其次是銷軸安裝孔內徑R1和轉軸外徑R3。這樣要求在回轉軸設計制造過程中，應該對這兩個參數加強檢驗和控制，以提高結構可靠性。此外，回轉軸可靠度對轉矩M的靈敏度為負數，表明在轉矩M增大時，回轉軸所受等效應力最大值也相應增大，導致其結構強度可靠性也隨之降低。

圖5 輸入參數R1和R3響應面圖

圖6 輸入參數R2和轉矩M響應面圖

圖7 敏感度圖

在可靠性分析中，累積分布函數是用于查看零件可靠性的工具，它在任一點的數值等于數據出現在該點之下的概率值。從圖8可以看出，回轉軸所受最大等效應力的分布區間為［175 MPa，189 MPa］。相對回轉軸所用材料為45鋼屈服強度為355 MPa而言，安全因子為1.9，有較大的安全裕量。如圖9所示，安全因子最大值分布區間［1.3，1.45］，結果表明回轉軸在現有工況條件下具有足夠大的安全裕量，不會存在失效情況，可靠度為1。證明該回轉軸在翻轉機工作過程中具有足夠的結構可靠性。

圖8 最大等效應力抽樣直方圖和累積分布函數

圖9 安全因子抽樣直方圖累積分布函數

3結語

本文以ANSYS WorkBench有限元軟件為工具，對翻轉機回轉軸進行可靠性分析，證明該軸在實際工況下可以滿足現有工況的可靠性要求。還介紹了可靠性設計的一般方法。對于工藝裝備的可靠性分析具有參考價值。

［1］ 趙國藩，金偉良，貢金鑫，等．結構可靠度理論［M］．北京：中國建筑工業出版社，2000：79-98.

［2］ 博弈創作室．ANSYS9.0經典產品高級分析技術與實例詳解［M］．北京：中國水利水電出版社，2005：298-310.

［3］ 吳岳，何永勇.基于ANSYS的掘進裝備典型結構可靠性分析［J］.機械設計與制造，2010（9）：49-51.