起重設(shè)備電動機支撐架的設(shè)計與分析

吳欣宇

（長春理工大學(xué) 光電信息學(xué)院，長春130114）

0 引 言

電動機作為起重設(shè)備中的核心部件，是保證起重設(shè)備安全可靠運行的關(guān)鍵，電動機在起重設(shè)備工作期間的平穩(wěn)運行，是衡量設(shè)備安全可靠的關(guān)鍵性指標，這也對電動機支撐架的設(shè)計提出了很高的要求。電動機支撐架一方面要求體積與質(zhì)量要盡量小，減少生產(chǎn)成本；另一方面又要求支撐架有足夠的強度，保證支撐架的安全可靠；在設(shè)備運行過程中，又要避免電動機在工作時產(chǎn)生的振動與支撐架發(fā)生振動耦合，產(chǎn)生共振，影響電動機的使用壽命。

針對起重設(shè)備電動機支撐架的特殊要求，設(shè)計了一種電動機支撐架。該支撐架具有結(jié)構(gòu)簡單、易于加工、質(zhì)量輕、安全性高等特點。本文應(yīng)用有限元分析軟件對其在實際工作中的狀態(tài)進行了仿真，對其結(jié)構(gòu)進行了拓撲優(yōu)化，通過靜力學(xué)與模態(tài)分析驗證了該支撐架的力學(xué)性能，以滿足使用要求。

1 電動機支撐架的設(shè)計

電動機支撐架作為起重電動機的主要承力點，在設(shè)計過程當(dāng)中要充分考慮其靜動力性能要求。根據(jù)起重設(shè)備的特點，利用SolidWorks 初步設(shè)計了起重電動機的支撐架，如圖1 所示。該支撐架根據(jù)電動機的安裝位置，設(shè)計成L 形結(jié)構(gòu)，并設(shè)計三角型加強筋來保證支撐架的穩(wěn)定性。支撐架通過側(cè)邊4 個螺釘固定于基座，上平臺與電動機基座連接，這樣既可以節(jié)省空間，又可以很好地支撐電動機平穩(wěn)運行。

拓撲優(yōu)化一般指形狀優(yōu)化，通過拓撲優(yōu)化，可以尋找到材料的最佳配置方案，并根據(jù)零件特定的載荷條件，確定出最為合理的結(jié)構(gòu)形式[1-2]。設(shè)計者可以根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果去除初步設(shè)計模型中冗余的材料，得到最優(yōu)化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，以此達到提高材料利用率、節(jié)約成本的目的。

采用ANSYS Shape Optimization 拓撲優(yōu)化模塊對支撐架初步設(shè)計模型進行優(yōu)化。支撐架材料為6061 鋁合金，將電動機支撐架初步設(shè)計模型導(dǎo)入ANSYS 中，建立有限元分析模型，劃分網(wǎng)格，并對有限元模型施加載荷及邊界條件[3-4]，如圖2 所示。

對支撐架電動機安裝面施加均布載荷，固定螺釘孔處施加全約束。在目標去除材料比為30%的條件下對有限元模型進行計算，經(jīng)過多次迭代優(yōu)化后，拓撲優(yōu)化結(jié)果如圖3 所示。結(jié)果中，數(shù)值0～0.4 為需要去除的材料，0.4～0.6 為過渡材料，0.6～1.0 為需要保留的材料。

圖1 支撐架初步模型

圖2 電動機支撐架有限元模型

圖3 電動機支撐架拓撲優(yōu)化結(jié)果

圖4 電動機支撐架最終模型

根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果，利用SolidWorks 建模軟件對初步設(shè)計的電動機支架模型進行優(yōu)化，去除拓撲優(yōu)化結(jié)果中可以去除的材料，優(yōu)化過渡區(qū)域，綜合可加工性等因素，最終優(yōu)化后的電動機支撐架模型如圖4 所示。

2 電動機支撐架的靜力學(xué)分析

靜力學(xué)分析是指分析結(jié)構(gòu)在特定靜力載荷條件下的狀態(tài)。通過靜力學(xué)分析，可以掌握結(jié)構(gòu)在靜力載荷下的位移、應(yīng)力等關(guān)鍵參數(shù)，驗證結(jié)構(gòu)的可使用性及可靠性[5-6]。

根據(jù)起重設(shè)備的結(jié)構(gòu)，電動機通過支撐架固定于基座之上，電動機輸出軸通過聯(lián)軸器與線輪軸相連，線輪通過線輪座固定于基座之上，如圖5 所示。為保證電動機的平穩(wěn)運行，一方面需要電動機支撐架在豎直方向(Y 方向)上的應(yīng)力變形盡可能小，保證電動機軸與線輪軸的同軸性。另一方面需要對支撐架進行強度校核，保證電動機支撐架的可靠性。因此需要對支撐架進行靜力學(xué)分析。

將電動機支撐架導(dǎo)入ANSYS 有限元分析軟件，建立有限元分析模型，并劃分網(wǎng)格。在支撐架電動機安裝面施加豎直向下的均布載荷，安裝螺釘孔處施加全約束。通過對電動機支撐架進行靜力學(xué)求解，得到電動機支撐架模型的變形云圖及應(yīng)力分布云圖，如圖6 所示。

圖5 起重設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖

圖6 靜力分析結(jié)果

由靜力學(xué)分析結(jié)果可知，電動機支撐架最大綜合變形為0.009 mm，豎直方向（Y 向）最大變形為0.0002 mm，變形量滿足設(shè)計要求。支撐架最大應(yīng)力為9.75 MPa，取安全系數(shù)為2，則最大應(yīng)力為19.5 MPa，遠小于6061 鋁合金的許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)安全可靠。

3 電動機支撐架的模態(tài)分析

模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)的固有頻率及振型，是動力學(xué)分析的基礎(chǔ)。通過模態(tài)分析，可以掌握所設(shè)計結(jié)構(gòu)的各階固有頻率及振型，幫助設(shè)計人員更好地了解結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性，有效避免共振的發(fā)生，也可幫助設(shè)計人員找出結(jié)構(gòu)中的弱點，進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)[7]。

電動機作為起重設(shè)備的動力源，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中，隨著轉(zhuǎn)速的提升，電動機會發(fā)生振動。如果電動機的振動頻率與電動機支撐架的固有頻率重合或相近時，就會發(fā)生振動耦合，產(chǎn)生共振，嚴重影響電動機的正常運行與壽命。通過模態(tài)分析，可以找出電動機支撐架的固有頻率，并與激振頻率進行校核，當(dāng)激振頻率與電動機支撐架的固有頻率重合或者相近時，就需要修改支撐架的結(jié)構(gòu)，避免發(fā)生共振[8]。

在電動機支撐架模態(tài)分析中，有限元模型的前處理與靜力分析完全一致。采用與靜力學(xué)分析同樣的方法對有限元模型進行網(wǎng)格劃分、載荷及邊界的施加?？紤]電動機支撐架工作時的狀態(tài)，約束方式與載荷大小及方向都與靜力學(xué)分析一致。計算目標為求取電動機支撐架的前6 階模態(tài)及振型。設(shè)置完成后進行模態(tài)求解，模態(tài)結(jié)果如表1 所示，振型結(jié)果如圖7 所示。

結(jié)果表明，電動機支撐架前6 階固有頻率在1774.2～4397.4 Hz 范圍內(nèi)，當(dāng)激勵頻率ω 與電動機支撐架的某階固有頻率ωi滿足：0.75ωi＜ω＜1.3ωi時，就不會發(fā)生共振[9-10]。由于電動機的振動頻率在0～18 Hz 范圍內(nèi)，振動頻率較低，因此電動機在工作過程中，不會發(fā)生共振，設(shè)計符合使用要求。

表1 模態(tài)分析結(jié)果

4 結(jié) 論

圖7 振型結(jié)果

本文根據(jù)起重設(shè)備的及性能要求，設(shè)計了一種電動機支撐架。利用SolidWorks 三維建模軟件進行建模，并結(jié)合ANSYS 有限元分析軟件對電動機支撐架的結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化，得到電動機支撐架的最優(yōu)化模型。通過靜力學(xué)分析，得出電動機支撐架的變形量及應(yīng)力分布，分析結(jié)果完全符合設(shè)計要求；通過模態(tài)分析，找出電動機支撐架的固有頻率及振型，并與電動機振動頻率進行比對，結(jié)果顯示電動機與電動機支撐架可以避免共振的發(fā)生，進一步驗證電動機支撐架的可使用性與可靠性。該支撐架具有結(jié)構(gòu)簡單、易于加工、質(zhì)量輕、安全性高等諸多特點，對同類支撐架的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。