基于ANSYS的高空飛翔卷筒強度分析*

趙九峰

(河南省特種設(shè)備安全檢測研究院，河南 鄭州 450000)

0 引 言

高空飛翔是飛行塔類游藝機中的一個品種，主要是由塔架，提升系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)提升總成等幾部分組成，塔架與基礎(chǔ)預埋螺栓連接，旋轉(zhuǎn)提升總成的提升動力由減速機驅(qū)動卷筒鋼絲繩實現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)動力由四臺減速機電機驅(qū)動實現(xiàn)，座椅由環(huán)鏈均勻固定旋轉(zhuǎn)提升總成圓周，每個座椅都設(shè)有獨立安全杠和安全帶。高空飛翔的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 高空飛翔結(jié)構(gòu)示意圖

高空飛翔有三種提升驅(qū)動方式：曳引驅(qū)動、液壓驅(qū)動和強制驅(qū)動。其中強制驅(qū)動是通過卷筒卷繞鋼絲繩實現(xiàn)的。卷筒提升驅(qū)動具有傳動效率高、承載能力大，調(diào)度操作簡單，價格低廉、噪聲小等優(yōu)點[1]。卷筒是否滿足強度要求，對高空飛翔的安全運行起著至關(guān)重要的作用。

通過對通過ANSYS有限元分析軟件，對高空飛翔卷筒進行力學分析，并與傳統(tǒng)分析校核結(jié)果比較。有限元法減小了常規(guī)計算帶來的設(shè)計誤差，提高了設(shè)計效率和計算精度，為卷筒的設(shè)計提供了參考[2]。

1 高空飛翔有限元模型

以43 m高空飛翔為計算對象，卷揚提升組件主要由電機、減速機、聯(lián)軸器、卷筒和底座等組成，其中卷筒是卷揚組件中非常關(guān)鍵的部件，其結(jié)構(gòu)強度影響高空飛翔的運行質(zhì)量和安全性。卷揚組件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

高空飛翔卷筒為帶繩槽雙聯(lián)單層纏繞卷筒，兩根鋼絲繩分支同時饒入卷筒。卷筒為焊接卷筒，材料為Q235B,彈性模量E=2×105MPa，泊松比ν=0.3，密度ρ=7 800 kg/m3。卷筒的基本參數(shù)：卷筒直徑D=694 mm,卷筒壁厚t=14 mm，鋼絲繩直徑d=22 mm，繩槽節(jié)距δ=25 mm，卷筒總長L=1 310 mm,鋼絲繩的拉力S=21 885 N。

圖2 高空飛翔卷揚組件示意圖1.電機 2.塊式制動器 3.減速機 4.聯(lián)軸器 5.盤式制動器 6.卷筒 7.底座

由卷筒的承載特點和結(jié)構(gòu)形式，對卷筒做如下簡化：①假定鋼絲繩在卷筒上有序緊密排列，壓力均布分布在卷筒容繩寬度上；②保守計算，忽略繩槽的影響，這樣可以減少劃分單元數(shù)，避免畸形單元的出現(xiàn)；③忽略卷筒上的小螺紋孔，全部用殼單元來代替[3]，在ANSYS中建立的有限元模型如圖3所示。

圖3 卷筒的有限元模型

2 載荷與約束

卷筒在鋼絲繩拉力作用下，產(chǎn)生壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)剪切力[4]。根據(jù)加減平衡力系原理，平衡鋼絲繩對卷筒的拉力可以分解為對卷筒中心的一個向上拉力和繞卷筒軸的一個扭矩，對卷筒的作用的效果不變，力的載荷示意圖如圖4所示。

圖4 卷筒載荷示意圖

卷筒與卷筒軸的配合部位選擇全約束，卷筒容繩寬度外表面施加均勻壓力[2]：

(1)

代入數(shù)據(jù)到公式(1)，求得p=2.5 MPa。

為計算不同類型的應(yīng)力對合成應(yīng)力的貢獻大小，分三種工況進行計算。工況1：卷筒中部一側(cè)施加拉力S=21 885 N；工況2：卷筒容繩寬度外表面施加均勻壓力2.93 MPa；工況3：同時施加拉力和均布壓力。

3 有限元計算結(jié)果

經(jīng)過有限元分析計算，得到卷筒的von-Mises應(yīng)力云圖如圖5。工況1下，在彎曲和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力作用下的計算結(jié)果如圖5(a)所示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在卷筒中部外表面，最大值為4.8 MPa；工況2下，在均布壓力作用下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在卷筒邊緣內(nèi)表面，最大值為69.8 MPa，如圖5(b)所示；工況3下，在均布壓力、彎曲和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力共同作用下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在卷筒邊緣內(nèi)表面，最大值為69.9 MPa，如圖5(c)所示。

圖5 有限元計算結(jié)果

4 傳統(tǒng)分析校核結(jié)果

由《起重機設(shè)計手冊》可知，卷筒在鋼絲繩拉力作用下，產(chǎn)生壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力，其中壓縮應(yīng)

力最大，當卷筒長度小于或等于直徑的3倍時，彎曲和扭轉(zhuǎn)的合成應(yīng)力不超過壓縮應(yīng)力的10%～15%，只計算壓應(yīng)力即可[6]。

由《起重機設(shè)計手冊》，可知卷筒(雙聯(lián)卷筒)筒壁的最大壓應(yīng)力[6]：

(2)

代入數(shù)據(jù)到公式(2)，求得σmax=62.5 MPa。

由力學理論公式，傳統(tǒng)校核方法得到卷筒的最大應(yīng)力為62.5 MPa，略低于有限元分析得到的最大應(yīng)力69.9 MPa。說明有限元分析方法和結(jié)果的可靠性和正確性。

由于高空飛翔卷筒的長度小于直徑3倍，由仿真結(jié)果可知，彎扭作用下，卷筒筒壁上的σmax=4.8 MPa，如圖5(a)所示，為壓縮應(yīng)力69.8 MPa的7%，如圖5(b)所示，與理論相符。

5 結(jié) 論

以某43 m高空飛翔為工程背景，對強制驅(qū)動提升的卷筒進行分析計算，計算結(jié)果表明：

(1) 卷筒同時受到壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力的共同作用下，卷筒安全系數(shù)滿足設(shè)計要求。

(2) 當卷筒長度小于直徑3倍，彎曲和扭轉(zhuǎn)的合成應(yīng)力遠小于壓縮應(yīng)力，可僅需計算壓應(yīng)力去校核卷筒。

(3) 有限元分析與傳統(tǒng)方法相比更準確、可靠，同時可獲得解析方法難以分析的局部區(qū)域應(yīng)力分布，對實際生產(chǎn)具有重要意義，滿足了高空飛翔運行安全系數(shù)的要求。