基于PATRAN的起重机卷筒联轴器轴扭矩分析

马晓曦, 吴峰崎, 朱　瑞, 张焱儒

(1.上海电力学院, 上海　200090; 2.上海市特种设备监督检验技术研究院, 上海　200333)



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基于PATRAN的起重机卷筒联轴器轴扭矩分析

马晓曦1, 吴峰崎2, 朱瑞1, 张焱儒1

(1.上海电力学院, 上海200090; 2.上海市特种设备监督检验技术研究院, 上海200333)

摘要:卷筒是起重机起升机构上的重要承重部件,连接卷筒与减速器的联轴器易失效.分析介绍了卷筒联轴器的危险点,并利用Pro/E和Patran软件对联轴器进行建模和扭矩分析,得到了其位移和扭矩的仿真结果,为下一步虚拟试验和测试验证奠定理论基础.

关键词：起重机; 联轴器; 扭矩分析

起重设备具有起重量大、连续作业时间长等特点,随着起重机械在港口码头、建筑工地、造船厂的使用越来越广泛,起重机械事故发生越来越频繁,对人员伤亡和财产损失造成不可估量的影响.

卷筒是起重机的重要承重部件,通过卷绕钢丝绳来实现起重机作业,在起重机事故中钢丝绳卷筒事故也时有发生.减速器的种类很多,其中ZQ型减速器主要应用于起升机构,在减速的同时起到提高扭矩的作用.易引起卷筒失效的部位是卷筒与减速器之间的连接零部件.[1]

在起重机起升机构的传动系统中,起升卷筒与减速器低速轴之间的联接是一个比较关键的部位,它们之间的连接零部件易引起卷筒失效.起重机卷筒联轴器联接失效,将导致吊物坠落事故的发生,影响安全生产及物流畅通,严重时甚至危及作业人员的生命安全.卷筒联轴器在起重机起升机构安全运行中具有重要作用,研究人员对其进行了多方面研究.倪秋良等人[2]对卷筒联轴器的类型及特点进行研究,着重分析了其调整维修方法,对其安全性进行阐述.夏苹等人[3]介绍了WZL型卷筒联轴器与减速器的连接误区以及正确的连接方式.宣长宇[4]也介绍了某起重机卷筒轴出现窜动现象,以及故障排查发现其受到轴向推力的情况.

本文在此基础上,主要对某单位起重机的起升机构卷筒连接件做扭矩仿真分析,为下一步的实验测试和虚拟试验验证研究奠定基础.

1卷筒联轴器形式介绍

根据起重机卷筒与减速器的连接形式不同,卷筒装置可分为采用齿轮盘式卷筒联轴器连接形式的卷筒、采用鼓形滚珠联轴器连接形式的卷筒、采用球铰型卷筒联轴器连接形式的卷筒以及卷筒轴与减速器直接相连的卷筒等4种基本形式，如图1所示.[5]

图1　卷筒组的4种连接形式

在这4种形式中,齿轮盘式卷筒联轴器卷筒轴如图1a所示,其不承受扭矩,是目前桥式起重机卷筒组的典型结构,但卷筒的质量较大,卷筒定位轴承及内齿轮盘与减速机之间安装及调整难度大,安装精度要求较高.如果安装不正,卷筒齿轮面易磨损,所以逐渐形成了其他连接形式.

鼓形滚珠联轴器连接形式的卷筒如图1b所示,其在驱动减速器与卷筒之间安装一套特殊的鼓形滚柱联轴器,此联轴器不仅能传递扭矩和承受较大的径向力,而且还能补偿减速器轴线与卷筒轴线的角度偏差.这种联轴器虽然便于拆装,但其制造难度大、造价高,只是在50 t以上吨位的起重机中被采用.近几年也发现其自身结构存在缺陷,在轴线偏差的补偿和安全可靠性方面存在一定的问题.[5-7]

球铰型卷筒联轴器如图1c所示,其连接形式的卷筒能承受很大的径向载荷和传递较大的扭矩,易于装拆维修,转动灵活,大大降低了对卷筒安装精度的要求,运行状态更加安全,工作更加理想,同时卷筒的受力更合理,安装调整也更方便.虽然该种联轴器在各方面有很大改进,但是在安装时还应尽量保证卷筒与减速器轴的同轴度,确保卷筒联轴器的润滑.[8-10]

卷筒轴与减速器直接相连的卷筒如图1d所示,与以上几种连接相比,省掉了卷筒联轴器,减少了传动环节,安全性较高.另外,这种形式的卷筒传递较大扭矩.但是这种连接形式受铸造起重机型的限制,且卷筒端板与卷筒轴之间的连接部位将会承受较大拉压力，因此若连接部位是焊接连接，则要经常检查卷筒轴与卷筒端板之间的连接焊缝，避免出现裂纹产生事故隐患.同样，其他形式的联轴器也应定期检查连接部位的螺栓，同时保证运行润滑.

2理论基础

MSC.PATRAN是有限元前后处理及分析仿真的软件,是一个开放式、多功能的三维软件包,针对工程设计 、工程分析等不同的设计分析,提供一个全开放性的 CAE 集成环境.

本文利用Pro/E和Patran软件对卷筒减速器的连接件进行扭矩分析.

减速器输出轴及其轴端承受较大的短暂作用的扭矩和径向力,[11]一般需对此进行验算.轴端最大径向力为:

(1)

式中:φ2——起升载荷动载系数;

G——卷筒重力,N;

S——钢丝绳静拉力,N;

[F]——减速器输出轴端的许用最大径向载荷,N.

轴端最大扭矩校验条件:

(2)

式中:Tmax——钢丝绳最大静拉力在卷筒上产生的扭矩,N·m;

[T]——减速器输出轴允许的短暂最大扭矩,N·m.

卷筒减速器的联轴器需要考虑到扭矩、转速和被连接的轴径等参数,扭矩应满足如下要求:

(3)

式中:TL——所传扭矩的值,Nm;

[TL]——联轴器许用扭矩;

k1——重要程度系数;

Tmax——计算的轴传递的最大扭矩；

k3——角度偏差系数.

3卷筒连接件扭矩分析

3.1　卷筒连接件的有限元模型

本文采用某企业起重机双起升机构卷筒模型,该起重机起升机构的卷筒与减速器直接相连的卷筒轴,如图2所示.

该卷筒基本参数如表1所示.参照CAD图纸对卷筒建立模型,如图3a所示,但本文主要是对卷筒及减速器之间的连接件进行扭矩分析,所以对模型简化,得到卷筒减速器的连接件含凸台和不含凸台部位,如图3b所示,将模型保存为parasolid格式,其扩展名为*.x_t.

图2　起升机构卷筒轴

注:1—卷筒;2—钢丝绳;3—减速器;4—卷筒与减速器之间的连接件.

表1　卷筒基本参数

图3　卷筒及连接件模型

Patran直接从Pro/E软件中抓取联轴器模型,在网格划分的过程中,对含凸台和不含凸台的连接部分进行网格的细化,其余部分采用自由划分网格的方法,同时对连接件不含凸台一端圆柱面创建多点约束(Multi-Point Constraint,MPC),用于不相容单元间的载荷传递,采用这种方法对卷筒轴施加扭矩.

由卷筒连接件的危险点分析可知,在新型连接形式如鼓形滚珠联轴器、球铰型卷筒联轴器及与减速器直接相连的卷筒轴,联轴器与卷筒轴都承受较大扭矩.表2为起升机构的运动参数,由此可计算出卷筒轴所承受的力矩M=196 980 N·m.

表2　起升机构运动参数

3.2　卷筒连接件的应力分析

Patran分析中材料设定成普通钢结构,对凸台一端施加固定约束,在另一端施加力矩,用Nastran分析计算得到应力变形云图如图4所示.

图4　卷筒连接件应力场

由图4可以看出，扭矩对卷筒轴的应力变形影响较大,在轴向方向可以看出,应力集中表现约3个数量级,最大位置处1 680 MPa左右,主要集中在凸台断截面位置处,向两端逐渐变小;色标段最下端的应力约为112 MPa，符合实际要求.在径向方向上表现出越靠近边缘应力越大,中心位置处最小,应力是112 MPa左右,同样符合实际要求.

3.3　卷筒连接件的位移分析

用Nastran分析计算得到位移变形云图如图5所示.

图5　卷筒连接件位移场

由卷筒连接件轴向和径向方向位移场均可看出,扭矩对卷筒轴的平动位移影响较小,最大平动位移处在扭矩施加平面上,数量级也仅为10-2,且向凸台面部位逐渐减小.

4结论

(1) 利用Pro/E和Patran软件对联轴器进行

扭矩分析,得到了所需监测的扭矩信号对比结果,发现力矩对卷筒轴应力变形影响较大,且越接近凸台部位变形越明显,而平动位移是在越接近扭矩部分变形越大,但整体来看,扭矩对卷筒轴的位移场影响较小;

(2) 利用仿真软件对卷筒与减速器直接相连的卷筒轴进行力矩和应力分析,可以了解对其连接部位的焊缝状况,及时安排定期检查,减少事故隐患.

参考文献：

[1]董炜,周庚,孙秀军.造成铸造起重机重大事故的危险点[J].起重运输机械,2012(8):93-97.

[2]倪秋良,吴云刚.卷筒联轴器使用特性分析与比较[J].科技创新导报,2014(31):88-91.

[3]夏苹,赵波.WZL型卷筒联轴器与减速器的连接[J].起重运输机械,2003(7):46-47.

[4]宣长宇.起重机起升卷筒窜动分析与排查[J].工程机械与维修,2013(10):176-177.

[5]于建民,王学壮.桥式起重机卷筒联轴器的改进[J].河北能源职业技术学院学报,2013(3):65-67.

[6]JI Aimin,HUANG Quansheng,XU Huanmin,etal.Design system of the two-step gear reducer on case-based reasoning[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2009,22(5):671-679.

[7]李继承,茅根新,罗云东,等.冶金起重机卷筒断轴事故分析及维护措施[J].机械工程与自动化,2005(6):81-84.

[8]LIAO Haiping,ZENG Cuihua.Calculation of gearing contact fatigue strength considering sliding friction between teeth [J].Machinery Design & Manufacture,2007(5):11-13.

[9]洪浩,许志沛,高海涛.基于Ansys Workbench起重机多层卷绕卷筒结构研究[J].起重运输机械,2012(12):56-59.

[10]梁锡昌,吕宏展.减速器的分类创新研究[J].机械工程学报,2011(7):1-7.

[11]陈洪财.桥门式起重机起升机构智能化设计研究[D].成都:西南交通大学,2014.

(编辑桂金星)

Analysis of Torque of Shaft Coupler of Cranes Based on PATRAN

MA Xiaoxi1, WU Fengqi2, ZHU Rui1, ZHANG Yanru1

(1. Shanghai University of Eleactric Power, Shanghai200090, China;

2. Shanghai Institute of Special Equipment Inspection and Technical Research, Shanghai200333, China)

Abstract:Drum is an important load-bearing part of hoisting mechanism,and the coupling connecting the drum and reducer is easy to fail.A theoretical analysis of the dangerous point of drum coupling is presented.Modeling and torque analysis of the coupling is done by using the Pro/E and Patran software,and the simulation results of its torque and displacement are demonstrated,which lays the theoretical foundation for the next virtual and validation test.

Key words:crane; shaft coupler; torque analysis

中图分类号：TH21

文献标志码：A

文章编号：1006-4729(2015)06-0556-04

基金项目：国家质检总局科研项目(2014QK145).

通讯作者简介：马晓曦(1990-),女,在读硕士,河北保定人.主要研究方向为起重机械安全监控及寿命预估.

收稿日期：2015-03-23

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2015.06.012