XJFH-5/35-5100氣動絞車制動蹄焊接件的有限元分析及優(yōu)化

晁旭彤，郭志平，張艷峰，李瑞平，李國威，楊燕昭

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機械學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010051）

1 前言

氣動絞車是以氣動馬達為動力，通過齒輪減速機構(gòu)驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便，工作安全，維護簡單，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，廣泛用于油田，海上平臺，游輪，地質(zhì)鉆井，礦山開發(fā)等易燃易爆場所的安全作業(yè)。隨著氣動絞車的普遍應(yīng)用，其安全性也越來越受到重視。氣動絞車額定載荷下制動時產(chǎn)生很大的力作用在其制動蹄焊接件上，極有可能造成制動蹄焊接件斷裂，從而造成安全事故。因此，本文針對山東泰安巨菱機械生產(chǎn)的XJFH-5/35-5100氣動絞車在制動時制動帶抱緊卷筒的受力狀態(tài)進行可靠性分析。

2 有限元分析

2.1 三維模型參數(shù)

如圖1所示，制動蹄焊接件由鋼板、支撐板、加強板構(gòu)成，通過螺栓與接地支架固定，總長260 mm，總寬64 mm，總高 361 mm，弧形鋼板內(nèi)表面與剎車帶螺紋連接，通過銷軸孔與制動桿連接。

圖1 制動蹄焊接件三維模型

2.2 制動蹄焊接件受力分析

載重為50 kN時，剎車帶松邊拉力作用在制動蹄焊接件上，如圖2。

圖2 整機簡圖

(1)剎車帶受力分析

剎車帶的力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 剎車帶的力學(xué)模型

圖中的各力有如下關(guān)系：

式中T——剎車帶緊邊力，N

t——剎車帶松邊力，N

MT——制動力矩，N·m

D——制動輪直徑，m

根據(jù)歐拉公式，在剎車帶兩端拉力之間存在著下列關(guān)系：

式中e——自然對數(shù)的底

μ——摩擦系數(shù)，μ=0.35

α——剎車帶包角，此時取1.83π

則 eμα=7.5。

將相關(guān)參數(shù)代入式（1），得

作用在剎車帶松邊上的力為t=3829N。制動蹄焊接件的上側(cè)銷軸處的拉力為3829N。

2.3 對制動蹄焊接件進行靜力學(xué)分析

將使用UG建立的三維模型導(dǎo)入COMSOL中，制動蹄焊接件材料為Q235，據(jù)計算可得到作用在制動蹄焊接件的上側(cè)銷軸處的拉力為3829 N，銷軸處添加位移約束，下側(cè)與機座連接處添加固定約束。

圖4 應(yīng)力分析云圖

圖5 應(yīng)變分析云圖

分析得制動蹄焊接件最大應(yīng)力為33.3MPa，最大應(yīng)變約為 3.5×10-5，安全系數(shù)為 S=[σ]/σ=7.1。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于應(yīng)力集中在銷軸處，很容易工作時發(fā)生斷裂而引起事故，因此未優(yōu)化的結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)不能滿足現(xiàn)實需求。針對這一需求，我們將制動蹄焊接件支撐板做出格外加厚3 mm的優(yōu)化設(shè)計，從而防止銷軸孔處因應(yīng)力集中而斷裂。

優(yōu)化后最大應(yīng)力為22.1 MPa，制動蹄焊接件安全系數(shù)為10.6，優(yōu)化后安全系數(shù)大大提高。

圖6 優(yōu)化后應(yīng)力分析圖

圖7 優(yōu)化后應(yīng)變分析圖

4 結(jié)論

對XJFH-5/35-5100氣動絞車制動蹄焊接件進行靜力學(xué)分析，在對其支撐板進行加厚優(yōu)化后，大大提高了其工作安全系數(shù)，既簡便又提高了可靠性。