翻轉機回轉軸結構的優化
——以商用空調機的換熱器生產下線為例

金 毅，穆榮生，趙 順

（1.中船重工鵬力（南京）智能裝備系統有限公司 總體部，江蘇 南京 210000；2.南京工業大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 211816）

0 引言

商用空調換熱器模組是商用空調的主要部件。生產空調換熱器模組需要部件裝配流水線實現調運、輸送、裝配、翻轉等操作。翻轉機在裝配線中能夠滿足空調換熱器模組的翻轉要求，并能安全、有效、平穩地改變其位置或姿態[1]，方便操作工對換熱器模組進行吊運到總裝線的空調器底盤上。翻轉機回轉軸作為翻轉機關鍵承載部件，在設計過程中尤為關鍵。前人在解決翻轉機可靠性通常是采用有限元的方法，對翻轉機關鍵零件在典型工況下進行靜力學結構分析，進而進行結構上的優化，從而解決翻轉機的設計可靠性要求[1，2]。考慮到翻轉機回轉軸在實際應用場合對其強度的基本要求。針對翻轉機主軸可靠性難達要求的問題，在靜力學分析基礎上并參考應力云圖的結果提出了一種優化方案，實現翻轉機回轉軸優化設計的目的。

1 翻轉機整機及回轉軸設計

1.1 翻轉機整體設計方案

商用空調冷凝器模組下線翻轉機如圖1 所示。其三維結構如圖2 所示。該翻轉機采用雙齒輪驅動翻轉的結構形式。其結構原理為中空軸型帶剎車減速機直接驅動主軸帶動兩個小齒輪驅動回轉軸上的兩個大扇形齒輪進行翻轉機的翻轉，翻轉角度從水平翻轉到90°翻轉機的結構參數見表1。

表1 商用空調換熱器模組下線翻轉機結構參數表

圖1 翻轉機實物圖

圖2 翻轉機三維結構示意圖

1.2 翻轉機回轉軸結構設計

翻轉機的結構及參數，翻轉機回轉軸如圖3 所示，采用軸肩定位方式。參考《機械設計手冊》[3]，鍵槽寬度應根據軸徑大小設計。軸采用45#鋼材料，參考材料手冊[4]，其室溫條件下的性能參數見表2。

圖3 翻轉機回轉軸零件圖

表2 45#鋼材料性能參數表

2 翻轉機回轉軸有限元計算

2.1 有限元模型建立

把翻轉機回轉軸三維模型導入到ABAQUS 有限元軟件，為提高網格劃分的質量及有限元計算效率，把倒角、圓角、螺紋孔等工藝結構進行了簡化。同時，考慮到翻轉機回轉軸的所受載荷及結構對稱，為進一步簡化計算選用一半的模型。將其設置表2 材料屬性。劃分網格的可分為3 個環節：定義單元屬性、定義網格控制、生成網格[5]。本研究的翻轉機回轉軸均采用六面體實體單元C3D8R，該實體單元具有一定彈塑性應力應變計算能力[6]。對分析結果影響不大的部位，如遠離危險截面的回轉軸截面，網格劃分較粗；相反，應力集中區域如回轉軸的鍵槽，則對網格進行了細化，以保證有限元計算結果的精確性。最后再劃分成六面體類型后采用ABAQUS 實體單元自動劃分網格，軟件會根據部件的結構外形完成自動劃分。建立的翻轉機回轉軸有限元模型如圖4 所示。該模型共有288926 個節點、275530 個單元。

圖4 翻轉機回轉軸有限元模型示意圖

2.2 約束設定

該回轉軸主要在各軸肩處設置Z軸方向的面約束；在軸承支撐面設置軸承約束；由于回轉軸同時承受了扭矩作用和對稱的拉壓彎矩作用，因此在回轉軸的對稱中心界面設置Z方向的位移及轉角固定約束。回轉軸整體約束設置如圖5 所示。

圖5 翻轉機回轉軸約束示意圖

2.3 載荷設定

由表1 可知，該設備設計承載范圍為110 ～600 kg，為確保靜力分析能夠實現所有額定載荷內工件的安全翻轉，選取600 kg 商用空調換熱器模組作為力學分析研究對象。在翻轉機工作的過程中翻轉機由三相鼠籠式電動機驅動，通過驅動齒輪帶動從水平旋轉到垂直狀態。翻轉過程中翻轉機受力如圖6 所示，翻轉角為θ，其取值范圍為（0 ～90°）；G1表示商用空調換熱器模組的重力；G2表示滾筒線橫移托盤的重力；G3表示橫移托盤驅動裝置的重力；G4表示翻轉架的重力；G5表示靠山擋板的重力；G6表示靠山擋板的重力；Fn表示翻轉機的驅動力；Fx、Fy分別為翻轉機回轉軸的x、y方向支撐力。

圖6 翻轉機力學分析圖

在翻轉機翻轉過程中，其運動遵循勻角加速運動-勻速運動-勻角減速運動的變化[7]。根據表1 參數，從0° ～90°的翻轉過程中，加速、勻速和減速的用時分別為0.3 s，4.25 s 和0.3 s。則可得啟動及制動期間翻轉機角加速度α為1.15 rad/s2，亦可求出在1 個運動周期內商用空調換熱器模組的角速度隨時間和角度變化，如圖7 所示。角速度可由（1）計算得出。

圖7 翻轉機角速度隨時間及角度變化圖

在翻轉機運行過程中，各系統部件除了重力，還在旋轉軌跡的切向和法向分別收到慣性力和向心力的作用。為簡化方程，此處設各部件質量為mi，質心到O點的距離為li，質心到O點連線與水平線夾角為θi，則可建立翻轉機力學的平衡方程如式（2）所示。計算得Fx、Fy、Fn大小隨轉角變化如圖8 所示。

圖8 翻轉機驅動力及支撐力變化圖

翻轉機回轉軸剪力計算式[8]：

翻轉機回轉軸所受扭矩：

由式（3）（4）可計算得到回轉軸所受載荷隨轉角的變化，如圖9 所示。回轉軸在啟動及制動過程中所受剪力及扭矩都較大，而翻轉機在平穩運行過程中所受載荷較小。當θ為0°時翻轉機處于啟動工況下，此時FS= 25.05 kN，TS=12.20 kN·m；當θ為90°時翻轉機處于制動工況，此時FS=45.15 kN，TS=-8.95 kN·m。由于無法直觀比較哪種工況更為危險，因此下文在ABAQUS 有限元軟件中在不同分析步中分別進行計算并加以比較。

圖9 翻轉機回轉軸所受載荷變化圖

該回轉軸主要在齒輪軸孔受力面受到剪切力FS/2的壓力作用；在鍵槽面傳遞驅動輪的扭矩，在仿真中設置參考點RP 耦合施加轉矩面，將轉矩TS施加于參考點上。回轉軸所受載荷設置如圖10 所示。

圖10 翻轉機回轉軸載荷示意圖

2.4 有限元計算結果

翻轉機回轉軸Mises 應力云圖，如圖11 所示。通過圖11 可看出啟動及制動兩種工況下回轉軸在鍵槽底部薄弱處及軸肩處均有應力集中現象。啟動工況下最大應力達到了308.7 MPa，制動工況下最大應力達到了228.0 MPa，因而啟動工況下回轉軸更易被破壞。由表2 可知，若取安全系數為1.5，則啟動工況下回轉軸的最大應力超過屈服極限，所以，在實際工況中回轉軸并不滿足產品的強度要求。下文將針對本翻轉機產品的回轉軸進行改進和優化，降低其最大應力使其滿足強度要求，延長其使用壽命并改善工藝。

圖11 翻轉機回轉軸Mise 應力云圖

3 翻轉機回轉軸優化方案討論

3.1 優化設計方案

通過前面的仿真分析結果可初步判斷翻轉機回轉軸危險點是由于鍵槽及軸肩采用的設計造成應力集中導致的，所回轉軸改進的基本方案就是先將軸徑加大，再同時采用端面壓板配合定位擋圈用以代替支撐面的軸肩定位。優化方案軸系設計部件裝配如圖12 所示，這樣的優化方案可以避免應力集中風險同時也能降低零件制造工藝成本。

圖12 翻轉機回轉軸優化方案示意圖

基于圖3 的原零件圖尺寸及優化基本方案，將回轉軸軸徑從80 mm 增大至85 mm，同時去掉回轉軸的軸肩設計，參考手冊將鍵槽大小重新根據軸徑調整[3]。改進后翻轉機主軸設計零件圖如圖13 所示。

圖13 翻轉機回轉軸優化零件圖

3.2 優化計算結果

對改進后的模型進行有限元分析，按照之前的邊界條件進行加載，依據同樣方法進行計算。ABAQUS的計算結果見圖14。圖14 顯示：啟動工況下最大Mises 應力降到了226.4 MPa，制動工況下最大Mises應力降到了169.2 MPa。其安全系數一般取1.5，啟動工況與制動工況下回轉軸的最大應力都小于45#鋼材料的屈服強度。經過計算分析，優化方案的最大應力從308.7 MPa 降到了226.4 MPa，由此可見，優化方案是可行的，可作為本商用空調冷凝器模組下限翻轉機產品的回轉軸實際改進方案。

圖14 翻轉機回轉軸優化方案Mise 應力云圖

4 結語

商用空調機換熱器的生產線的重要組成之一是翻轉機，其作用是在生產線上將工件翻轉成一定角度以改變產品姿態轉入下一工序或方便組裝。翻轉機需要經啟動、平穩運行、制動三個工序，各工序均承受各部件的重力、慣性力、離心力的荷載。在翻轉機運行中承受了整機的載荷是回轉軸，該軸屬于易損傷關鍵零件。以某商用空調換熱器模組生產線的翻轉機的回轉軸為研究對象，對回轉軸進行了結構優化。通過建立翻轉機的力學分析模型并基于翻轉機結構參數計算出回轉軸各回轉角度下所受的剪力 與扭矩 的大小，進而分析了回轉軸約束及載荷的設置方法；然后，選取最危險的啟動工況與制動工況，分別利用ABAQUS 有限元軟件對翻轉機主軸進行靜力學分析，得到了兩種工況下的Mises 應力為308.7 MPa，制動工況下最大應力為228.0 MPa，回轉軸在安全系數為1.5 時啟動工況不滿足強度要求；最后，為避免回轉軸應力集中提出一種新的回轉軸設計方案，在滿足要求的同時降低了回轉軸制造工藝成本。