基于NX Nastran的機(jī)械式挖掘機(jī)滑輪軸的分析優(yōu)化

仝雷強(qiáng)，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(dāng)今許多世界領(lǐng)先的制造商應(yīng)用于概念設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、詳細(xì)的機(jī)械設(shè)計(jì)以及工程仿真和數(shù)字化的制造等各個(gè)領(lǐng)域，是當(dāng)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(gè)通用的有限元分析程序[2]，NX Nastran集成的優(yōu)點(diǎn)是避免模型和分析軟件之間相互轉(zhuǎn)換的麻煩[3]。在根據(jù)分析結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行針對(duì)性的快速結(jié)構(gòu)修改后，更新有限元網(wǎng)格重新分析計(jì)算即可快速了解優(yōu)化后的應(yīng)力狀況。

滑輪軸是礦用挖掘機(jī)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(jī)提升時(shí)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(jī)的工作環(huán)境非常惡劣，挖掘過程中經(jīng)常由于爆破不完全或物料變化出現(xiàn)過載的情況，這樣提升力就會(huì)加大，因此滑輪軸必須有足夠的強(qiáng)度和剛度[4]。其次，滑輪軸位于挖掘機(jī)工作裝置的前段，其質(zhì)量直接影響整機(jī)的穩(wěn)定性以及挖掘機(jī)上部工作裝置回轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因此合理地減輕滑輪軸的質(zhì)量，能夠有效降低能源消耗，降低成本，提高挖掘機(jī)作業(yè)效率。 綜上所述，強(qiáng)度、剛度、質(zhì)量、成本上的要求使得滑輪軸結(jié)構(gòu)的分析優(yōu)化顯得十分必要。

1 滑輪軸受力分析

機(jī)械式挖掘機(jī)的提升鋼絲繩由2根組成，均為定長(zhǎng)鋼絲繩，由于鋼絲繩是彈性體，并且交叉在4個(gè)繩槽內(nèi)，故此處2根鋼絲繩對(duì)2個(gè)滑輪可以按照均布載荷且大小相同來進(jìn)行計(jì)算滑輪軸的強(qiáng)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(jié)點(diǎn)實(shí)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(guān)鍵區(qū)域網(wǎng)格配對(duì)技術(shù)，進(jìn)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(jié)構(gòu)等效簡(jiǎn)化為一端固定，一端鉸接的簡(jiǎn)支梁模型?；嗇S中部靠近兩側(cè)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(nèi)，如圖1所示。

圖1 滑輪軸的工況載荷受力與約束

2 初始結(jié)構(gòu)分析

滑輪軸有限元分析主要包括通過網(wǎng)格加密等技術(shù)，計(jì)算出滑輪軸的應(yīng)力、撓度以及扭轉(zhuǎn)角的大小與分布。計(jì)算結(jié)果如下頁圖2、圖3所示，對(duì)滑輪軸進(jìn)行有限元分析的VON MISES等效應(yīng)力和位移分布云圖。

圖2和圖3中標(biāo)尺上的數(shù)字對(duì)應(yīng)不同的位移或應(yīng)力，其中，VON MISES等效應(yīng)力是按第四強(qiáng)度理論確定的：

圖2 滑輪軸的初始VON MISES等效應(yīng)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(yīng)力最大值為220 MPa，最大位移0.514 mm，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在軸肩倒角處，最大位移出現(xiàn)在軸的中間位置。

3 優(yōu)化

根據(jù)初步分析結(jié)果，即圖2、圖3的VON MISES等效應(yīng)力以及位移分布圖，認(rèn)為軸肩處的倒角導(dǎo)致軸上出現(xiàn)了局部的應(yīng)力集中，而其他位置的應(yīng)力都比較小，說明滑輪軸的直徑設(shè)計(jì)偏大，個(gè)別位置應(yīng)力很小，顯得比較笨重，而軸肩處出現(xiàn)的應(yīng)力集中對(duì)于設(shè)備運(yùn)行中的循環(huán)應(yīng)力容易出現(xiàn)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(gè)隔開2軸承的套，該套與滑輪軸之間的間隙較大，對(duì)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(zhǎng)度的撓度變化很小，對(duì)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(duì)于軸的優(yōu)化，主要體現(xiàn)在減小軸肩處的應(yīng)力集中，適當(dāng)增加應(yīng)力較大處的尺寸，減小強(qiáng)度冗余處的尺寸，具體更改方案為：增大2個(gè)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(shí)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(yōu)化后的VON MISES等效應(yīng)力圖

圖5 滑輪軸優(yōu)化后的位移云圖

優(yōu)化后的結(jié)果：如圖4、圖5所示，滑輪軸肩處應(yīng)力最大，軸的最大VON MISES等效應(yīng)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(shè)計(jì)相比，優(yōu)化以后最大應(yīng)力顯著降低，撓度變化不大，同時(shí)質(zhì)量由 1 412 kg降低到1 376 kg。

4 結(jié)語

利用NX Nastran分析滑輪軸受力，利用參數(shù)化建模功能快速地針對(duì)薄弱部位以及設(shè)計(jì)冗余部位進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，可以快速評(píng)估優(yōu)化后的結(jié)果。做到最大應(yīng)力顯著下降，應(yīng)變略有增大，而滑輪軸整體的質(zhì)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(jī)構(gòu)運(yùn)行效率，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果生產(chǎn)的產(chǎn)品在實(shí)際使用中一直很穩(wěn)定。

[1] 洪如瑾.UG NX6 CAD進(jìn)階培訓(xùn)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

[2] 三維書屋工作室.UG NX7.0動(dòng)力學(xué)與有限元分析從入門到精通[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[3] 沈春根,王貴成. UG NX7.0 有限元分析從入門與實(shí)例精講[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[4] 閻書文.機(jī)械式挖掘機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版,1982.