在现代工业企业中,链式输送机械是流水作业运输线与自动化生产线*的组成部分。它可与工业企业生产流程中的工艺过程结合在一起,已是成套生产设备中的一个有机组成单元。作为链式输送机械的一个种类,承托式链式输送机是一种地面输送机,它可以沿水平方向或倾斜方向输送物品,在冶金、煤炭、化工、汽车、电力、机械制造等工业领域得到广泛的应用。
ANSYS软件是一款融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型C屁通用有限元分析软件,具有强大的机械结构分析能力图。可对结构进行静力学、动力学和非线性分析等。机械、建筑、化工等领域已经逐渐应用ANSYS软件进行各种性能分析和优化设计。本文应用ANSYS有限元软件对头轮转轴进行应力和应变分析。
优化分析的目的
承托式链式输送机一般运载强度大、运转时间长(几乎处于不停机状态),为低速重载的工作环境,且经常用于运行环境恶劣、运载物具有腐蚀性和锐角的场合。因此要求其结构必须能满足运行条件。另外,承托式链式输送机与其他链式输送机相比自重较大,要求其结构有足够的强度。在承托式链式输送机的各组成部件中,链轮、输送链条和转轴受力zui大,受力形式也zui复杂。

在设计承托式链式输送机(以下简称输送机)时,因为输送链条有国家标准,链轮设计也已经标准化,只有与链轮相连的转轴受力大,且没有相应的结构设计标准。另外,由于该输送机运载的物体体积较大,整个输送过程要求链条滚子滚动摩擦,这些都使得转轴的长度增加,无法采用经验方法来正确估算转轴的结构参数。因此,为了减少输送机的自重,满足输送机的结构强度,本文对输送机的头轮转轴进行结构优化设计。
有限元分析及优化
根据整条输送线的设计要求,采用3DcAD绘图软件得到了输送机头轮转轴的结构形式,以及与它配合工作的其他零件的大致结构和尺寸(见图1)。头轮转轴使用了阶梯轴形式,一端伸出,并有键槽、倒角、退刀槽等功能或工艺结构(见图2)。
2.1建立有限元模型
对头轮转轴进行优化设计时,首先分析其受力情况(见图3)。该转轴通过V带轮获得动力,链轮带动链条和链板运动。在运动过程中,头轮转轴主要受到Z方向的拉力与X轴上的转矩。考虑到输送机的运行状况,在建立转轴的有限元模型时,去掉键槽、倒角、退刀槽等以简化模型。先以光轴建立模型并分析得出其小直径d,再通过增加台阶来保证转轴的可靠性。由于光轴为等截面实体,可以用PIPE16单元来模拟和简化其受力分析。

在对转轴进行边界条件约束时,根据轴承座的实际工作情况和固定方式,该处节点的X、y、z轴方向的位移以及绕Y、Z轴的转动固定。另外,因为该转轴的转速低,在右端的轴承座处固定其绕X轴方向的转动,并且假设固定其转动后,整个转轴的应力将会增加,也就是此时的分析结果将会比轴实际所受的应力大。这种假设虽然会导致直径d的值偏大,但只要这种应力偏差值与转轴的应力总值相比很小,则偏差值可认为是设计余量,起到保护作用。通过上述分析,对转轴的分析为静态弹性小位移结构应力分析。在模型网格化之后,按照头轮转轴的受力图对有限元模型施加静力和力矩,zui后求解。

通过对输送机头轮转轴的优化设计,可以看出有限元分析软件在结构设计中的应用方法及其取得的效果。同样,可以使用有限元分析软件对输送机其他零部件进行优化设计,以减少成本或验证结构的可靠性。从对转轴的优化设计可以看出,应用有限元软件改变了以往被动校核的设计方法,使得设计能在边界条件内得到*值,保证了设计的合理性。

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