基于有限元法的自動投料系統(tǒng)中鏈?zhǔn)捷斔蜋C主動軸力學(xué)分析*

華云飛，雷潔珩

(1.湖南核工業(yè)宏華機械有限公司，湖南 衡陽 421002； 2.南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

0 引 言

推行核電相關(guān)產(chǎn)業(yè)向著高質(zhì)量發(fā)展是響應(yīng)低碳生活要求的必要舉措，這對社會政策、鈾資源、核安全等都提出了更高的要求。核電廠工作過程會有大量的核廢金屬產(chǎn)生，包括但不限于廢舊設(shè)備、管道和結(jié)構(gòu)組件等。據(jù)統(tǒng)計，單臺百萬千瓦機組一年產(chǎn)生的核廢金屬約為4～5 t。截至2020年12月，我國已運行的 18個核電廠，共48個反應(yīng)堆，累計產(chǎn)生的核廢金屬質(zhì)量約為10 000 t。這些核廢金屬暫時沒有比較合適的去向，目前集中貯存在核電廠內(nèi)，這樣不僅存在輻射風(fēng)險和交叉污染風(fēng)險，而且因核廢金屬的大小形狀不一樣，不方便收集，導(dǎo)致核電站越來越難以存放這些核廢金屬?；凇胺派湫詮U物最小化”的理念對放射性廢金屬進(jìn)行去污處理，一方面可以減少放射性廢物的數(shù)量，實現(xiàn)放射性廢物的循環(huán)再利用；另一方面可減少放射性廢物的儲存量及儲存成本。表面噴丸去污和熔煉去污是放射性去污流程的兩大步驟，而上料系統(tǒng)是熔煉去污的重要組成部分。自動上料系統(tǒng)是為解決放射性核廢金屬熔煉生產(chǎn)線上傳統(tǒng)人工上料不便問題而進(jìn)行的升級改造項目。傳統(tǒng)人工上料的方式存在諸多安全隱患：核廢金屬對操作人員具有放射性損傷，且勞動強度大；核廢金屬在熔煉過程中會產(chǎn)生含有放射性的氣溶膠，氣溶膠的揮發(fā)會對操作人員的呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生吸入式損害；在熱爐投料過程中，鋼水可能會從熔煉爐的投料口飛濺出來，對操作人員造成傷害。

使用鏈?zhǔn)捷斔蜋C能大大提高上料速度，降低工人的參與度，大大降低上述安全隱患。鏈?zhǔn)捷斔蜋C的主動軸可靠性是關(guān)鍵因素，因此對主動軸的分析研究是保證鏈?zhǔn)捷斔蜋C安全穩(wěn)定運行的重要措施。

筆者主要使用大型有限元軟件ANSYS Workbench對自動投料系統(tǒng)中鏈?zhǔn)捷斔蜋C中的主動軸進(jìn)行有限元分析，通過有限元分析較為精準(zhǔn)地確定了該主動軸工作時的受力及形變情況，為主動軸的設(shè)計制造提供了參考。

1 鏈?zhǔn)捷斔蜋C的結(jié)構(gòu)及工作原理

鏈?zhǔn)捷斔蜋C的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理為，電動機通過減速器驅(qū)動主動軸轉(zhuǎn)動，主動軸上安裝有兩個鏈輪，輸送機上的鏈板的兩端通過兩條鏈條相連，兩條鏈條分別與主動軸上的兩個鏈輪連接。主動軸通過鏈輪帶動兩鏈條轉(zhuǎn)動，進(jìn)而驅(qū)動鏈板移動[1]。

圖1 鏈?zhǔn)捷斔蜋C 圖2 鏈?zhǔn)捷斔蜋C部分結(jié)構(gòu)簡化三維模型

鏈?zhǔn)捷斔蜋C實際工作時，主動軸將會承受較大的扭矩和力，尤其是當(dāng)物料從上一臺設(shè)備上落到鏈?zhǔn)捷斔蜋C上時，其好壞將會對整個設(shè)備的運行產(chǎn)生直接的影響。在鏈?zhǔn)捷斔蜋C中，主動軸是非常重要的部件，如果輸送機上的料過重，或輸送機長時間工作，經(jīng)常會出現(xiàn)主動軸斷裂失效、機器損毀等問題，威脅人身及設(shè)備安全[2]。由于熔煉去污車間內(nèi)溫度較高，且環(huán)境中會存在一定的放射性，所以工作人員對設(shè)備維修非常不方便，因而要盡量保證車間內(nèi)各個設(shè)備的可靠性。由此可見，是否能夠掌握主動軸的應(yīng)力及應(yīng)變情況尤為重要[3]。通過對鏈?zhǔn)捷斔蜋C主動軸的形狀、尺寸、材料的選擇，在確定工況的情況下，對鏈?zhǔn)捷斔蜋C主動軸進(jìn)行有限元分析，在最初的設(shè)計階段考慮主動軸形狀、尺寸的最佳選擇，將材料用到受力情況最差的位置，用較少的材料實現(xiàn)主動軸應(yīng)有的功能，杜絕不良設(shè)計，這樣不僅實現(xiàn)了節(jié)省人力物力的目標(biāo)，還提高了設(shè)計效率[4]。

2 參數(shù)化建模

在鏈?zhǔn)捷斔蜋C內(nèi)，電機通過直角減速器帶動主動軸轉(zhuǎn)動。主動軸上的轉(zhuǎn)矩傳遞到鏈輪上，鏈輪帶動鏈板移動，實現(xiàn)物料傳送?；诂F(xiàn)有的鏈?zhǔn)捷斔蜋C的實際尺寸結(jié)構(gòu)，建立三維模型，根據(jù)需求對結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，最終，鏈?zhǔn)捷斔蜋C部分結(jié)構(gòu)的三維模型如圖2所示[5]。

主動軸是傳送帶的重要部件，其一端連接減速器，傳遞扭矩，軸上開有兩個鍵槽，靠鍵槽中的兩個鍵，帶動鏈輪轉(zhuǎn)動。

(1) 在SolidWorks中的模型

根據(jù)設(shè)計參數(shù)及實物尺寸，確定主動軸的各軸端長度、半徑、鍵槽的尺寸等參數(shù)。在SolidWorks中建立主動軸的三維模型，如圖3所示。

圖3 SolidWorks中主動軸模型 圖4 主動軸ANSYS模型

(2) 在ANSYS中的模型

為將SolidWorks中主動軸模型導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行有限元分析，需首先將主動軸的模型另存為Parasolid(*.x_t)文件，然后將其導(dǎo)入到ANSYS中，如圖4所示。

3 軸的有限元分析

3.1 有限元基本介紹

對于軸的力學(xué)分析，在常規(guī)方法中，需要進(jìn)行一系列復(fù)雜繁瑣的計算，才得到要求的應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)，如果其中一步錯了，后續(xù)計算就都錯。且通過常規(guī)方法得到的結(jié)果較為單調(diào)，不能直觀全面地反應(yīng)整個軸的力學(xué)情況[6]。

有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的)近似解，然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件)，從而得到問題的解[7]。因為實際問題被較簡單的問題所代替，所以這個解為近似解。大多數(shù)實際問題不容易得到準(zhǔn)確解，而有限元方法不僅計算精度高，還能應(yīng)用于各種復(fù)雜形狀的模型，故有限元法是非常有效的工程分析手段[8]。

3.2 有限元網(wǎng)格劃分

主動軸是鏈?zhǔn)捷斔蜋C中的關(guān)鍵部件，因此對軸的強度有較高的要求。主動軸兩端與軸承配合，其上開有鍵槽，通過鍵連接兩鏈輪，軸的一端通過鍵與減速器相連，故軸的受力及變形情況不是非常復(fù)雜[9]。

劃分網(wǎng)格是建立有限元求解方程未知量的必然過程，如果沒有網(wǎng)格和單元，那有限元最初要求的位移場，就沒有基本未知量了。劃分完網(wǎng)格，有限元迭代過程中的基本未知量就是單元節(jié)點的位移增量[10]。

20世紀(jì)后半葉，航天、汽車、模具、生物醫(yī)學(xué)、電子等行業(yè)不斷發(fā)展推動有限元數(shù)值計算不斷發(fā)展，離散化計算所用的模型是有限元數(shù)值計算的基礎(chǔ)，將實體離散化成若干個有限分區(qū)，或者根據(jù)其實體結(jié)構(gòu)進(jìn)行切分細(xì)化網(wǎng)格，將劃分出的單元用相應(yīng)的函數(shù)方程表示，利用其特點將這些函數(shù)方程組合成整體方程,這個組裝的整體方程用來表示模型，F(xiàn)EM法計算采用這模型進(jìn)行計算[11]。對軸進(jìn)行離散化處理，由于ANSYS Workbench操作界面對用戶比較友好，軸的網(wǎng)格數(shù)量不大，且為單結(jié)構(gòu)，利用數(shù)值計算軟件中mesh專用網(wǎng)格劃分模塊對軸進(jìn)行劃分以及細(xì)化網(wǎng)格，其離散化的軸模型結(jié)果如圖5所示，通過圖觀察網(wǎng)格劃分疏密情況適中，滿足計算的求解精度[12]。

圖5 軸的網(wǎng)格劃分 圖6 施加約束

3.3 施加約束

主動軸靠兩側(cè)的軸承支撐，主動軸與軸承接觸的兩個表面均施加Y、Z方向的位移約束，另外在遠(yuǎn)離減速器的與軸承接觸的表面，施加X方向的位移約束。最終施加約束的效果如圖6所示[13]。

3.4 施加外載

在連接減速器的軸段鍵槽的一側(cè)面施加一個面載荷F1=T1/R1，其中T1為主動軸的輸入轉(zhuǎn)矩，R1為主動軸中心線到該鍵槽中心線的距離；在連接鏈輪的兩個軸段的兩個鍵槽的一側(cè)面分別施加一個面載荷F2=T2/R2，其中T2為主動軸的輸出轉(zhuǎn)矩，R2為主動軸中心線到該鍵槽中心線的距離。最終外載的施加效果如圖7所示[14]。

圖7 施加外載 圖8 ANSYS中主動軸的應(yīng)力云圖

3.5 數(shù)值仿真結(jié)果的分析

ANSYS中的求解器分為直接求解器、迭代求解器及特殊求解器，通過ANSYS中的內(nèi)置求解器求解數(shù)值模型，完成數(shù)值計算工作后，對求解結(jié)果進(jìn)行調(diào)用，可以獲得主動軸的應(yīng)力分布情況以及整個變形的分布情況[15]。首先用ANSYS分析主動軸的等效應(yīng)力分布情況，在ANSYS中調(diào)取主動軸應(yīng)力的云圖，如圖8所示，其應(yīng)力云圖與應(yīng)變云圖的變化趨勢一致[16]，即都在面接觸的地方應(yīng)變較大且受的應(yīng)力也比較大，這與強度理論中位移與力的變化關(guān)系一致，在連接減速器軸段的軸肩處出現(xiàn)了最大應(yīng)力，最大應(yīng)力為11.909 MPa，根據(jù)強度理論只要不超過許用范圍值就滿足要求，其整體最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用值，符合強度方面的需求[17]。

主動軸的各部分應(yīng)變?nèi)鐖D9所示，最大應(yīng)變出現(xiàn)在連接減速器軸段的軸肩處。由圖可以看出最大變形量為0.000 060 282 mm，形變較大部分集中在鍵槽位置，同時觀察放大后的形變趨勢，主動軸有被扭轉(zhuǎn)的趨勢[18]。通過分析云圖結(jié)果可知，可適當(dāng)增加帶鍵槽軸端的直徑使其強度更高[19]。

圖9 ANSYS中主動軸的應(yīng)變云圖 圖10 ANSYS中主動軸的最大剪切應(yīng)力云圖

通過圖10最大剪切應(yīng)力云圖變形趨勢來看，軸上的最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在連接減速器軸端的第一個軸肩。

4 結(jié) 語

通過對主動軸進(jìn)行三維建模，對分析用軸進(jìn)行離散化處理，同時對軸的承載情況分析以及簡化處理，添加符合實際受力情況的約束和外載后對其進(jìn)行靜力學(xué)計算。由有限元分析結(jié)果可知，連接減速器的軸端的軸肩截面為危險截面，故在設(shè)計軸時要充分考慮材料的變形性能及應(yīng)力，以適當(dāng)提高安全系數(shù)。在加工制造時，使用合理的工藝減小應(yīng)力集中，降低最大應(yīng)力值，提高使用壽命。

采用ANSYS軟件可對鏈?zhǔn)捷斔蜋C工作過程中主動軸的工作情況進(jìn)行仿真，得到的結(jié)論與實際生產(chǎn)中主動軸失效機理吻合，本建模及分析過程可滿足一般情況下的需求。有限元分析提供了一種對軸類工作情況下力學(xué)特性分析的有效方法，對軸類的設(shè)計具有重要的參考價值。