基于ANSYS的施工升降机减速器箱体仿真分析

樊东洋　李华志　苏睿　曾军　宋振宇

摘要：为了解决传统的施工升降机减速器箱體质量大不利于高空作业的问题，应用ANSYS Workbench软件对箱体进行有限元分析，其分析内容包括静力学分析与模态分析；根据软件分析结果可以得出：箱体在正常工作的情况下，总体的变形量小，受力较均匀，最大受力远远小于对应材料的许用应力；且箱体不会发生共振变形，结构达到最优化，满足施工升降机高空作业的需要。

关键词：减速器；施工升降机；有限元分析

中图分类号：TH112 文献标志码：A

文章编号：2095-5383（2018）03-0009-04

Abstract： In order to solve the problem that the quality of the traditional reduction case of the construction lift is not conducive to high-altitude operation， the ANSYS Workbench software was used to carry out finite element analysis on the reduction case， and the analysis includes static analysis and modal analysis；According to the software analysis results， it can be concluded that the overall deformation of the case is small， the force is relatively uniform， the maximum force is far less than the allowable stress of the corresponding material and thecase does not undergo resonance deformationThe structure can meet the needs of construction lifts for aerial work.

Keywords：

reducer； construction lift； finite element analysis

现有施工升降机减速器工作时发热过大，传动效率较低，且箱体质量大不利于高空作业。一般由设计者根据自身经验、机械设计手册的经验公式、类比同类减速器等方法进行箱体结构设计[1-5]。

为提高材料的利用率，减轻箱体重量，使结构达到最优化，本文对施工升降机箱体进行了结构设计，并通过力学分析以验证设计方案的可行性。

采用一般的力学计算公式对箱体受力进行分析时，过程困难并且误差很大，而有限元分析将复杂的求解域化解成多个小的互连子域，用复杂的问题简单化，再求解。这样运算的结果不仅精度高，而且应付各种复杂的形状。因此，本文利用有限元分析的方法对箱体结构进行分析与校核。

1 有限元分析

施工升降机减速器箱体的分析包括变形分析、应力分析和模态分析。

1.1变形分析

1）导入箱体文件，如图1所示，并设置材料，箱体材料为ZL101A，轴承端盖材料为2A12。其材料性能参数如表1所示。

2）对三维实体模型进行网格划分，如图2所示。

3）根据减速机自身安装形式，对电机安装座与箱体部分进行对应的约束：电机安装座是用螺栓进行连接与固定，因此直接对螺栓孔的侧面进行约束，如图3a所示。在箱座连接处，则选择连接用螺栓孔和端面进行约束，如图3b所示。

4）根据内部传动件计算可得载荷情况，如表2所示。

箱体所受载荷由轴承传递，只是轴承座下半部分受力，因此对于径向力的施加，只是对轴承座下半部分施加相对应的径向载荷。径向力是按余弦函数分布，此次分析将对轴承下半部分用均布最大载荷来替代。载荷类型选为Bearing Load，对于轴向力，则按端盖上的均布载荷进行施加，如图4所示。

5）通过后处理模块查看总形变后的处理结果分别如图5，表3所示。

结合图5和表3分析，形变最大为X方向，最大形变量约0.018 3 mm，但是其变形量的值比较小。从总体变形上看（细实线框为不变形状态下的模型），主要的变形出现在轴承座及其周围，而箱座上的主轴承座有肋板的支撑下，变形较小；轴承座因为采用了衬套，增加了此处轴承座的刚度，因此变形也不大；最大变形量集中在箱盖上，最大总体变形量为0.052 457 mm。因此，虽然箱体在某些部分会有变形集中的情况出现，但是其值较小，完全不影响箱体正常工作。

1.2 应力分析

箱体及关键部位的应力分析如图6所示。

从图6可以看出，箱体受力比较均匀，且都没出现应力集中的情况。应力主要分布在轴承座与轴承盖上。隐藏端盖与电机安装座，观察轴承座的受力情况，由图6c可以看出，轴承座的受力区域主要分布在轴承座的下半部分，与之前轴承受力分析相符合，箱座的轴承座受力约为6 465.5 pa，少部分受力为3.083 8～6.161 1 Mpa；箱体最大应力区域主要分布在箱盖的轴承座上，与之前的形变分析相符合，箱盖轴承座的受力约为6 465.5 pa～9.238 4 Mpa。已知ZL101A的屈服极限为155 Mpa，安全系数为1.7，可知ZL101A的许用应力为91.18 Mpa，因此，箱体轴承座受力远远小于其许用应力91.18 Mpa。

为了更好地观察施加轴向力的端盖受力情况，对模型进行隐藏箱体、箱盖与电机安装座的操作，可以看出：最大受力主要分布在箱盖上的轴承盖与密封盖，为9.238 4 Mpa，而箱座上的端盖受力为64 655.5 pa，端盖与密封盖的材料为2A12，其许用应力为144.11 Mpa，因此箱盖上最大应力远远小于许用应力。

综上所述，箱体受力小于各材料的許用应力，即箱体受力符合要求。

2 模态分析

模态分析为对现有模型结构的振动特性进行分析与计算，通过Workbench的模态分析，可以得出结构固有的频率与振型。对箱体进行约束状下的模态分析，箱体约束施加与图3一致。

采用Toolbox的Analysis Systems中Modal模块分析所得振型结果如图7所示。

箱体自身的振动可以用多阶固有频率组合，因为低阶的固有振型对箱体影响更大，一般情况下只考虑前6阶固有的振型，如表4所示。

由图7和表4分析可知，在轴承座的周围加肋板之后，除了能起到增加箱体强度的作用，同时能够大大降低箱体轴承座附近的振动，减少因振动产生的变形，让结构更加稳定，有利于保证减速器箱体的正常传动。发生振动变形的区域主要为箱盖轴承座的部分，由于轴承座的变形会影响箱体的正常工作，因此需要进行进一步的分析。

已知减速器输入转速为1 400 r/min，转速与频率转换公式为：

正常情况下，最大转速只能达到1 500 r/min，远远小于振型的最小转速（一阶）2 245 920 r/min，电机转速不可能达到和接近这么高的转速，因此由输入转速而导致箱体产生共振变形的可能性非常小，可以忽略不计。

3 小结

基于ANSYS Workbench用有限元的方法对施工升降机减速器箱体结构进行了静力学分析（包括形变与应力分析）和模态分析。通过静力学分析，得到了该施工升降机减速器在工作过程中变形量小，且最大受力远远小于对应材料的许用应力。通过模态分析，得到该施工升降机减速器在额定输入转速范围内驱动下，箱体不会发生共振。在上述仿真分析过程中，该齿轮箱变形量小、受力均匀、结构合理，满足高空作业减速器的功能需求。

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