基于ANSYS的全自動洗箱機輸送鏈有限元分析

武濤

（江蘇財經職業技術學院智能制造綜合實訓中心，江蘇淮安 223003）

0 引言

由于全自動洗箱機的輸送鏈傳動帶動22個箱籠，每個箱籠里有4個放置飲料瓶子的箱子，在超聲波作用下，在水箱中進行清洗，承受載荷較大，工作環境相對惡劣，載荷情況較復雜，在實際生產中鏈輪的磨損情況嚴重。一旦鏈輪磨損破壞將直接影響到生產的進度，因此改善鏈輪的受力狀況是急需解決的問題，需要利用有限元法對鏈輪進行應力分析，不斷提高其結構強度，改善鏈輪的受力狀況，降低洗箱機的事故率。

1 洗箱機輸送鏈鏈輪的有限元分析

1.1 有限元模型的建立

利用SolidWorks建立鏈輪和鏈條的三維模型，并將鏈輪和滾子進行裝配，考慮到計算機的計算效率，在建模時適當忽略倒角及圓角。將模型存為x-t的格式，然后導入到ANSYS Workbench中。

1.2 分析前處理

首先對輸送鏈鏈輪進行參數設置，材料采用結構鋼，其相關參數為：彈性模量E=210 GPa，泊松比v=0.3，密度為ρ=7.8×103kg/m3。由于鏈輪鏈條的模型很復雜，在進行網格劃分時選取實體單元Solid45進行自由網格劃分。自由網格劃分自動化程度較高，采用四面體網格,節點數目為321 562，單元數目為218 891。將鏈輪和滾子設置為柔體-柔體接觸，并設置為面面接觸，其中設置鏈輪為接觸面，滾子設置為目標面。

然后對輸送鏈鏈輪進行載荷及約束條件的施加。根據洗箱機的輸送鏈的實際工作情況對鏈輪進行加載，鏈輪在徑向和軸向的位移均為0，只在周向有位移。為了保證鏈輪和鏈條的同步轉動，需要將鏈輪在鏈條運動時的接觸部位進行周向的位移耦合。在運動過程中，鏈條和鏈輪嚙合，鏈輪受到鏈條傳遞的轉矩，鏈輪帶動鏈條運動，進而帶動箱籠進行運動[1-5]。

圖1 輸送鏈鏈輪和滾子裝配圖

圖2 輸送鏈輪的有限元網格劃分

清洗機使用兩條并列鏈條進行拖動，但分析時應取極限情況，假設力矩全部為一側鏈輪和鏈條承受。電動機堵轉時轉矩T1′=4122.1 N·m。對滾子的內表面沿x、y、z三個方向施加位移約束，使其固定不動；對鏈輪施加軸向和徑向的約束，同時在鏈輪的內圈施加轉矩。

圖3 輸送鏈輪的位移施加

圖4 輸送鏈輪的力施加

1.3 有限元求解及結果分析

通過有限元分析，得出輸送鏈輪和滾子的等效應力和等效應變，其中圖5所示為輸送鏈輪的等效應變云圖，圖6所示為滾子的等效應變云圖，圖7所示為輸送鏈輪的等效應力云圖，最大應力為80.62 MPa，圖8所示為單個滾子的等效應力云圖，最大應力為123.46 MPa，發生在鏈輪鏈齒的低端，此處受力最大，容易發生齒的折斷。而滾子則發生在與鏈輪接觸的部位，受力最大。

圖5 輸送鏈輪的等效應變云圖

圖6 輸送鏈條滾子的等效應變云圖

圖7 輸送鏈輪的等效應力云圖

圖8 輸送鏈滾子的等效應力云圖

鏈輪的材料為45鋼，其許用應力為245 MPa；滾子的材料為40Cr，其許用應力為548.6 MPa；對比最大應力和材料的許用應力，可知此處接觸安全可靠。

2 洗箱機輸送鏈內鏈節的有限元分析

該傳輸裝置主要由銷軸（如圖9）、內鏈板（如圖10）、外鏈板（如圖10）、滾子（如圖11）組成，內鏈板與銷軸之間為間隙配合，外鏈板與銷軸之間為過盈配合，滾子和銷軸是間隙作用，內外鏈板交錯連接，構成鉸鏈。

圖9 銷軸

圖10 內鏈板或外鏈板

圖11 滾子

圖12為外鏈板的鏈板附件——特殊件，此鏈板附件不僅起到傳動作用，還具有固定箱籠的作用，其他普通鏈節僅起到傳動作用。

圖12 鏈板附件——特殊件

鏈傳動裝置的使用壽命與鏈的材料和熱處理方式有關。下面對鏈傳動裝置的內鏈節進行靜力學分析。

圖13 組裝的鏈節

2.1 內鏈節的有限元靜力學分析前處理

模型導入：利用SolidWorks繪制內鏈板，將其保存為x-t格式，然后導入到ANSYS Workbench中，如圖14所示。設置內鏈板的材料屬性：彈性模量E=210 GPa，泊松比v=0.3，密度為ρ=7.8×103kg/m3。

圖14 內鏈板的模型圖

網格劃分：內外鏈板的網格劃分采用自由網格劃分法。

載荷施加：鏈節在工作時，主要承受滾子和套筒的拉力，載荷施加在2個滾子的內側面的120°范圍內和2個套筒的左右兩個側面120°范圍內，定義Pressure載荷，鏈板所受到的最大拉力（計算參數同上）為

式中：A為滾子上所受的面積。滾子的直徑為42 mm，寬度為24 mm，得出在120°范圍內受力面積為1055.04 mm2，代入式（2），計算得出P為19.05 MPa。

圖15 內鏈節的有限元網格劃分

其中內鏈板的位移約束，施加在內鏈板內外側面的所有點，施加面位移約束，約束Z軸方向的自由度，同時在內鏈板的中間圓弧過渡處節點的X方向的自由度加以約束[6-7]。

2.2 內鏈節的有限元結果分析

由圖16可以看出，鏈節套筒在拉力載荷作用下發生彎曲和剪切變形，最大彎曲應力發生在鏈節的中間位置，內鏈節的最大應力為70.389 MPa，內鏈板銷孔處的應力分布在銷軸孔的左右兩個外側，并逐漸向外輻射減小。圖17為內鏈節的等效應變云圖，從圖中可以看出，在拉力的載荷作用下，內鏈節發生彈性變形，最大剪切變形發生在套筒和內鏈板的間隙處。

圖16 內鏈節的等效應力云圖

圖17 內鏈節的彈性變形云圖

鏈節的材料為40Cr，其許用應力為548.6 MPa；對比最大應力和材料的許用應力，可知此處接觸安全可靠。

鏈輪上應力最大的部位是與鏈條直接接觸的輪齒部位，其他部位的應力相對較小，并且輪齒的應力要高于鏈條的應力。因此輪齒附近的受力狀況很重要，需要對其進行尺寸優化，以改善其受力狀況。

3 結語

對鏈傳動中的內鏈節和鏈輪進行有限元的靜力學分析，經過有限元分析計算得出：鏈輪的最大彈性變形為0.6 μm，最大應力為114.38 MPa，發生在鏈輪鏈齒的低端，此處受力最大，容易發生齒的折斷。而滾子與鏈輪接觸的部位受力最大。在拉力載荷作用下，鏈節套筒發生彎曲和剪切變形，最大彎曲應力發生在鏈節的中間位置，內鏈節的最大應力為125.11 MPa，內鏈板銷孔處的應力分布在銷軸孔的左右兩個外側，并向外輻射逐漸減小。