夾軌器主要構(gòu)件的有限元分析*

李 倩,梅運東

（黃河交通學(xué)院，河南 焦作 454950）

1 設(shè)計要求

門式起重機是港口沿岸運輸上獲取、運移、卸載搬運重物的重要提升機械。而液壓夾軌器是當(dāng)前提升運輸機械使用較為普及的一類主要的防風(fēng)安全設(shè)備[1]。本研究的自鎖夾軌器小車系統(tǒng)是在一般液壓夾軌器的理論基礎(chǔ)上，吸收國內(nèi)外先進夾軌器的優(yōu)點而設(shè)計的一種新型自鎖夾軌器系統(tǒng)。對于總載荷小于320 t起重機被賦予的總載荷不大于額定載荷，每臺起重機配備兩套自鎖夾軌器小車系統(tǒng)，每套小車系統(tǒng)的額定作業(yè)載重不小于160 t。按極限分析單個夾軌器所起作用，此時作用在單個偏心裝置上的夾緊力不小于80 t。單個夾軌器的防滑力P=2×夾緊力×μ（摩擦系數(shù)，μ一般取0.25）=400 kN。根據(jù)用戶單位起重機具體參數(shù)，提供如下外形尺寸：長×寬×高不大于6 m×1.5 m×1.6 m。此夾軌器系統(tǒng)應(yīng)具備自鎖能力、自調(diào)整能力和誤差補償功能[2]。

2 研究內(nèi)容

夾軌器小車系統(tǒng)核心部件如圖1所示，利用Solidworks simulation軟件對自鎖夾軌器小車系統(tǒng)核心部件的主要結(jié)構(gòu)件進行有限元分析，得到核心部件的變形、應(yīng)力及應(yīng)變的云圖，可以有效避免應(yīng)力集中的情況發(fā)生，防止夾軌器發(fā)生斷裂破壞，指導(dǎo)夾軌器的強度優(yōu)化設(shè)計。

圖1 夾軌器小車系統(tǒng)核心部件圖

3 主要結(jié)構(gòu)件有限元強度分析

夾軌器小車系統(tǒng)采用自鎖結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)夾軌器工作時，其整體作用力作用在鏈板、偏心軸等構(gòu)件上，將其與零部件從受力狀態(tài)中釋放出來。因此，對夾軌器小車系統(tǒng)受力情況的分析，總結(jié)起來就是對鏈板、偏心軸兩個主要結(jié)構(gòu)件的分析[3]。根據(jù)設(shè)計要求，本結(jié)構(gòu)形式的自鎖夾軌器小車系統(tǒng)需滿足1 000 kN的夾緊力且夾軌器主要應(yīng)用于起重機械非工作狀態(tài)下的防風(fēng)。

3.1 鏈板結(jié)構(gòu)的有限元強度分析

1）鏈板承受的載荷計算：F1=[FNl5sin(α-θ2)]/[l4sin(θ2-θ1)]=1 000 000 N×183 mm×sin37°/288 mm×sin69°=409 609 N[4]。

2）建立鏈板的有限元模型，根據(jù)夾軌器系統(tǒng)的設(shè)計，對鏈板使用Solidworks進行三維建模設(shè)計，材質(zhì)為Q345-D，彈性模量為2.06×1011N/m2，抗剪模量為7.9×1010N/m2，泊松比為0.28，材料的質(zhì)量密度為7 850 kg/m3。

3）施加外部載荷及求解一。通過對夾軌器的結(jié)構(gòu)分析可知，鏈板一端的腰形孔與長曲軸鉸接，因此鏈板另一端圓孔的約束情況可以設(shè)定為固定約束，即鏈板圓孔被約束位置所有方向上的位移均被限制。在鏈板上升過程中，液壓缸支架部件上的作用力通過軸沿著腰形孔中心距上移，使連接液壓缸支架部件與鏈板的軸壓在腰形孔槽口的右半邊部位上，因此將鏈板上升過程中的受力簡化為沿軸與腰形孔槽口右半邊部位接觸面的均布載荷是可行的。

分析結(jié)果：鏈板在上升階段運動中產(chǎn)生的最大應(yīng)力為676 MPa，而材料的抗拉強度極限為630 MPa，產(chǎn)生的最大應(yīng)力大于材料的抗拉強度極限，不能滿足設(shè)計需求。

解決方案：從如圖2所示的應(yīng)力圖可以看出，應(yīng)力集中在腰形孔右半部分處，外圓壁厚太薄，優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的應(yīng)力、應(yīng)變圖如圖3、圖4所示。

圖2 鏈板的應(yīng)力圖

圖3 鏈板優(yōu)化后的應(yīng)力圖

圖4 鏈板優(yōu)化后的應(yīng)變圖

在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下，增加了鏈板的板厚，腰形孔外圓薄壁的厚度、寬度及原設(shè)計應(yīng)力集中較大部位的尖角過渡為圓角，避免應(yīng)力集中[5]。

鏈板材質(zhì)選擇Q345-D，具有良好的強度和塑性，其材料的抗拉強度極限為630 MPa，優(yōu)化后的鏈板最大應(yīng)力為285 MPa，未超出材料本身的抗拉強度極限值，其安全系數(shù)n=630/285=2.21，強度滿足設(shè)計和使用要求。

4）施加外部載荷及求解二。在鏈板下降過程中，設(shè)定鏈板上圓孔為固定約束。液壓缸支架部件上的作用力通過軸沿著腰形孔中心距下移，使連接液壓缸支架部件與鏈板的軸壓在鏈板腰形孔槽口的左半邊部位上，因此將鏈板下降過程中的受力簡化為沿軸與鏈板槽口左半邊部位上接觸面的均布載荷是可行的。

分析結(jié)果：優(yōu)化后的鏈板在下降階段運動中產(chǎn)生的最大應(yīng)力為251 MPa，而材料的抗拉強度極限為630 MPa，其安全系數(shù)n=630/251=2.51，強度滿足設(shè)計和使用要求。

根據(jù)以往夾軌器設(shè)計經(jīng)驗考慮材料抗拉強度，設(shè)計的安全系數(shù)取n=1.8，從鏈板上升運動和下降運動過程中的有限元強度分析可得出，鏈板的腰形孔部分設(shè)計不滿足此要求，需對鏈板進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

增加鏈板厚度和腰形孔外圓壁寬度后，鏈板滿足強度和設(shè)計要求。

3.2 偏心軸結(jié)構(gòu)的有限元強度分析

1）偏心軸承受的載荷：FN=1 000 kN。

2）建立偏心軸的有限元模型。根據(jù)夾軌器系統(tǒng)的設(shè)計，對偏心軸使用Solidworks進行三維建模設(shè)計，材質(zhì)為42CrMo，彈性模量為2.1×1011N/m2，抗剪模量為7.9×1010N/m2，泊松比為0.28，材料的質(zhì)量密度為7 800 kg/m3。

3）施加外部載荷及求解。通過對夾軌器的結(jié)構(gòu)分析可知，偏心軸中端規(guī)則軸徑與軸承鉸接，因此偏心軸的約束情況可以簡化為：將規(guī)則軸徑設(shè)定為固定約束，被約束位置所有方向上的位移均被限制。在偏心軸夾緊過程中，偏心軸齒紋部分承受來自鋼軌的作用力，其作用力作用在兩方面，一方面作用在偏心軸圓弧正端面，另一方面作用在偏心軸圓弧側(cè)端面，因此將偏心軸的受力簡化為沿偏心軸與鋼軌接觸部位上的接觸面和偏心軸圓弧側(cè)面的均布載荷1 000 kN是可行的。

3.2.1 正端面抵抗力受力分析

分析結(jié)果：如圖5所示偏心軸正端面受力圖，偏心軸在夾緊過程中正端面產(chǎn)生的最大應(yīng)力為1 111 MPa，偏心軸正端面的應(yīng)變?nèi)鐖D6所示，而材料的屈服應(yīng)力為1 080 MPa，產(chǎn)生的最大應(yīng)力大于材料的屈服極限應(yīng)力，不能滿足設(shè)計需求。

圖5 偏心軸正端面受力圖

圖6 偏心軸正端面應(yīng)變圖

3.2.2 側(cè)端面抵抗力受力分析

分析結(jié)果：由圖7所示的偏心軸側(cè)端面受力圖，得出偏心軸在夾緊過程中側(cè)端面受擠壓產(chǎn)生的最大應(yīng)力為1 875 MPa，偏心軸側(cè)端面的應(yīng)變?nèi)鐖D8所示，而材料的屈服應(yīng)力為1 080 MPa，產(chǎn)生的最大應(yīng)力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于材料的屈服極限應(yīng)力，不能滿足設(shè)計需求。

圖7 偏心軸側(cè)端面受力圖

圖8 偏心軸側(cè)端面應(yīng)變圖

解決方案：偏心軸切屑后齒部未過中心線，同時有直角存在，此處存在相對的應(yīng)力集中，此時對偏心軸切屑后齒部進行填補設(shè)計，此時應(yīng)力、應(yīng)變圖如圖9和圖10所示。

圖9 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的應(yīng)力圖

圖10 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的應(yīng)變圖

在現(xiàn)場環(huán)境允許的情況下，增加偏心軸后端部尺寸，盡量讓后端部切割線過中心，同時留有圓角，避免應(yīng)力集中。

偏心軸材質(zhì)選擇42CrMo，具有良好的強度和較好的塑性，其材料的屈服極限應(yīng)力為1 080 MPa，優(yōu)化后的偏心軸最大應(yīng)力極限為447 MPa，其安全系數(shù)n=1 080/447=2.42，強度滿足設(shè)計和使用要求。

根據(jù)夾軌器設(shè)計經(jīng)驗考慮，材料強度和設(shè)計的安全系數(shù)取n=1.8，從偏心軸不同部位運動過程中的有限元強度分析可得出，偏心軸的部分設(shè)計不滿足此要求，對偏心軸進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化前后方案對比如圖11所示。

圖11 偏心軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化對比圖

4 結(jié)論

現(xiàn)通過以上對鏈板、偏心軸在工作過程中結(jié)構(gòu)的有限元強度分析結(jié)果可以得出：鏈板的最大應(yīng)力發(fā)生在Y分量上，且存在直角應(yīng)力集中的現(xiàn)象，安全系數(shù)低，在初始設(shè)計時的參數(shù)不能滿足設(shè)計需求的情況下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使其滿足設(shè)計要求；偏心軸切屑后齒部未過中心線，同時有直角存在，此處存在相對的應(yīng)力集中，此時對偏心軸切屑后齒部進行優(yōu)化設(shè)計，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，可以滿足要求。