基于ANSYS Workbench直驱转台环抱式制动结构的摩擦接触分析*

陈 慧，刘海岷，杨 群

(武汉轻工大学机械工程学院，湖北武汉 430023)

0 引言

直驱转台是高速、高精数控机床的重要功能部件之一，为机床提供了回转坐标，可作为第四轴、第五轴完成等分、不等分或连续回转加工，使复杂曲面的加工变成可能，是近年来研究的热点问题。制动技术是直驱转台的一项关键技术，而制动结构是实现转台制动的关键部件，有效制动是转台在定位情况下加工的必备条件，是保证加工精度、提高加工质量的必要选择［1－2］。环抱式制动由于克服了早期端面制动容易使工作台面变形等致命缺陷，且结构简单、制动可靠、制动力矩大，因此，在直驱转台的制动中获得应用广泛，但对于环抱式制动接触问题的研究仍然没有实质性的突破，致使在设计环抱式制动结构时，对制动力矩的设计计算和制动是否可靠等核心问题［3－4］，设计者“无章可循”。

1 工程背景

直驱转台环抱式制动结构主要由转动部分和制动部分组成，存在初始间隙δ，如图1所示。转动部分有力矩电机转子通过转台轴承与工作台实现零传动，制动套作为制动部分的主要承力部件在工作时既要承受系统压力P产生弹性变形，还要与转子内圆面摩擦接触，产生可靠的摩擦力矩使转台制动。

图1 直驱转台环抱式制动结构

笔者针对武汉某企业研发的直驱转台在试用过程中出现的制动套制动不可靠、磨蚀失效的实际问题，在Solidedge中建立制动结构三维模型，如图2所示。运用Ansys Workbench有限元软件在摩擦接触非线性分析中的优势，对制动结构整体进行摩擦接触分析，通过定义制动套与转子之间的接触，总结了接触分析时需要注意的关键选项，得到制动套在制动过程中的接触压力、摩擦应力等力学参数，为制动力矩的估计提供可靠依据。

图2 制动结构三维模型

2 接触有限元分析

2.1 接触问题概述

工程实际中，接触问题是很普遍的一类问题。通常两个独立的表面之间相互接触并相切时，不同物体的表面不相互渗透，往往不能传递法向拉伸力，但可传递正压力和切向摩擦力，称之为接触［5］。发生在两物体接触表面间的接触过程是一种高度非线性行为，涉及到接触面间刚度，摩擦条件等多种非线性因素，模型的建立和分析计算困难。ANSYS Workbench分析软件具有强大的接触分析功能，以有限元法为核心，含有丰富的接触单元和接触方式解决各种不同类型的接触问题。Workbench提供了三种非线性的接触类型:光滑无摩擦(Frictionless)，粗糙(Rough)，摩擦(Frictional)，计算式需要多次迭代。面－面接触分析时，ANSYS选择适应的接触单元支持刚－柔/柔－柔面间接触类型。此时，一个物体的表面认为是接触面，另一个物体的表面定义为目标面。

2.2 基于ANSYS Workbench的接触分析

2.2.1 有限元模型

考虑制动结构的几何形状、载荷、边界条件的对称性，取总装配模型的1/2作为分析的求解对象，有限元模型如图3。模型为对称分析，有限元计算时需建立对称面组。

图3 制动结构网格划分有限元模型

制动套属于锡青铜材料，转子是矽钢材料，材料模型的主要参数如表1所列。

表1 材料模型参数

2.2.2 摩擦接触分析关键选项

Ansys workbench中，接触问题分析实际上就是结构的非线性分析，求解步骤与结构非线性分析相同。非线性问题较之线性问题参数设置很重要，默认关键选项适合大多数接触问题分析［6］。对于摩擦接触问题的模拟，需要对几个关键接触对参数进行设置，才能得到较理想的效果。

(1)接触类型选择摩擦接触。制动套制动是一个摩擦接触的过程，摩擦接触与实际情况相符。

(2)Workbench中摩擦采用的是库伦(Coulomb)模型，对于摩擦接触，往往需要通过试验获得接触对的摩擦系数。查机械设计手册，摩擦系数μ取0.15。

(3)摩擦接触不考虑法向刚度同时要求零渗透，接触算法选择Normal Lagrange法。接触压力作为额外的自由度直接求解，Fnormal=F。

(4)接触行为设置为非对称。非对称行为限制接触面不能穿透目标面，与实际相符。数据仅仅在接触面上显示，观察结果更容易更直观。

3 接触结果分析

设定系统压力P=3 MPa，如图1所示对制动套内表面施加均布载荷，制动套上下端面固定约束，设定转子额定转速125 r/min，制动套与转子的接触分析结果如图4所示。

图4 制动套与转子接触分析结果

图4 (a)中可得出制动套制动时的制动部位整体变形均匀，变形截面成浴盆形状，变形量最大0.106 mm;图4(b)中反应出变形时制动套的最大应力为78.354 MPa，应力集中产生在制动套制动部位与法兰结构过渡的部分，远小于材料的强度极限420 MPa，满足强度要求;图4(c)接触状态云图说明制动时约2/3接触面与转子目标面产生滑动摩擦，1/3接触面处于粘连状态，接触面与目标面之间无相对滑动;图4(d)、(e)中得到最大接触压力为1.785 MPa，最大摩擦应力为0.267 MPa;制动套与转子之间的接触正压力沿周向成余弦分布规律;摩擦应力结果表明制动套与转子接触只有约2/3接触面产生摩擦力矩。图4(f)说明接触面与目标面之间几乎没有穿透，与实际物理现象吻合。根据公式:

式中:p为摩擦应力最大值;A为制动套内圆柱面受均布载荷面积;r为接触圆柱面半径148 mm，得到制动套的提供的制动力矩为1 338.67 N·m。

4 结论

针对企业实际问题，运用ANSYS Workbench软件对直驱转台制动结构进行了三维有限元接触分析，通过合理设置接触类型、摩擦系数、接触算法、接触行为等关键选项，直观再现了制动套的变形、接触压力、应力的分布规律。通过接触状态云图和摩擦应力云图，分析了制动套的实际接触面积，考虑制动套的结构，得制动力矩的大小为1 338.67 N·m。可以通过修改几何模型、载荷和边界条件，模拟不同条件下的制动转台，直至满足制动要求，避免了设计的盲目性。文中的分析求解过程为类似的工程问题提供了参考，具有实践价值。

［1］ 方 杰.高档数控机床与基础制造装备行业创新能力平台项目分析［J］.机电产品开发与创新，2013(2):1－3.

［2］ 王立平.关于国产数控机床发展的几点思考［J］.航空制造技术，2010(4):51－52.

［3］ 何新林，童国荣，高明铭，等.一种新型数控转台的研制［J］.制造技术与机床，2013(2):125－127.

［4］ 栾强利，蒋德伟.数控转台抱闸机构设计分析［J］.机床与液压，2011，39(14):25－27.

［5］ 浦广益.ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解［M］.北京:中国水利水电出版社，2010.

［6］ 凌桂龙，丁金滨，温 正.ANSYS Workbench 13.0从入门到精通［M］.北京:清华大学出版，2012.