基于ANSYS的大吨位起重机滑轮组改进分析

李 军， 高立程

（太原重工股份有限公司技术中心起重所， 山西 太原 030024）

滑轮组广泛应用于起重机的起升机构上滑轮装置和吊具中，是起重机中关乎安全的重要零部件。滑轮与滑轮轴之间一般采用间隙很小的配合，对于300 t大吨位起重机，滑轮组的倍率常选8左右，那么滑轮轴上需要安装8个滑轮，随着吨位的增加，倍率可能需要更大，滑轮轴上的滑轮数量会更多，在车间安装时需要对滑轮依次穿轴，实际操作困难，装配工人经常会采用野蛮操作，用大锤敲打滑轮轴将滑轮装上。根据GB/T 3811—2008《起重机设计规范》，上滑轮装置中必须设置超载限制器，一般将滑轮轴本身作为传感器或在滑轮轴下方的一端安装轴压式传感器。野蛮操作的安装方式会对传感器造成破坏，使传感器灵敏度降低，影响测量精度。本文针对大吨位起重机滑轮组存在的安装问题，提出改进建议，并对滑轮轴进行受力分析。

1 滑轮组的改进

常规滑轮组主要由滑轮、滑轮轴、隔环、支撑座和挡板等组成，滑轮一般直接套装在滑轮轴上。为了解决某大吨位起重机滑轮组的安装问题，将该起重机滑轮组的滑轮轴设计为轴套和芯轴结构形式，如图1所示。在装配时，将滑轮逐一与轴套装配好，再将装配好的滑轮和轴套放入支撑座内，然后将滑轮轴通过支撑座的侧板穿过轴套。由于芯轴与轴套之间只有两端有紧配合，其余大部分有间隙，没有接触，所以在实际穿轴过程容易了许多。

另一方面由于轴套的存在，滑轮受力传递到滑轮轴时受力位置发生了变化，更靠近侧板，改变了滑轮轴的受力状况。该滑轮组有四个支撑点，是超静定结构，因此，本文采用有限元法计算滑轮轴的受力情况。

图1 滑轮组改进后的结构

2 滑轮轴的受力分析

2.1 模型简化

在额定载荷工况下对滑轮轴进行静力分析，故只考虑起吊重物静止于空中或匀速运动时的工况，不考虑起升动载系数。吊具满载时单根钢丝绳的受力Smax=94kN，故每个滑轮的受力为F=2Smax=188kN，再将滑轮对轴套的合力平均到轴套两端，得到改进后的滑轮轴的受力简图如下页图2所示。由于轴套、侧板与滑轮轴的接触长度都很短，因此这里轴套和侧板对滑轮轴的作用力均采用集中力考虑。

2.2 有限元模型的建立

滑轮轴的结构非常简单，横截面为圆形截面。在建立三维模型时，首先创建轴套、侧板在滑轮轴上的关键点，再连接为线。采用beam188梁单元，对线进行网格划分，网格大小为5 mm。对滑轮轴两端关键点 1、10 施 加 UX、UY、UZ 自由 度位 移 约 束 和ROTX，ROTY，ROTZ自由度旋转约束；对滑轮轴中间侧板关键点施加UY、UZ自由度位移约束和ROTY，ROTZ自由度旋转约束。对滑轮轴关键点2、3、8、9施加Y方向载荷1.5 F，对关键点5、6施加Y方向载荷3F，并施加负Y方向的重力场，如图3所示，分析滑轮轴的位移与应力分布情况。

图2 滑轮轴受力简图（mm）

图3 滑轮轴的约束与加载

2.3 计算结果

滑轮轴与侧板接触处关键点1、4、7、10的支反力分别为 276.7 kN、851.3 kN、851.3 kN、276.7 kN，可以看出中间侧板的支反力较大，边缘侧板的支反力较小。滑轮轴的位移云图见图4，此时最大位移发生在轴的中心处，最大位移值为0.026 mm。滑轮轴的应力云图见图5，VON MISES等效应力最大值发生在节点4和7处，即中间侧板与轴的连接处，最大等效应力为37.06 MPa[1]。

图4 滑轮轴的位移（mm）云图

2.4 对比分析

同理，按照以上方法利用ANSYS的参数化建模功能快速地分析太原重工股份有限公司多台大吨位起重机滑轮组中滑轮轴的受力状况，其中各滑轮组的支撑座结构形式相同，只是侧板间的滑轮个数不同，得到最大位移和最大等效应力结果见表1。

计算结果表明，滑轮轴的最大位移均发生在轴中心处，最大应力均发生在中间侧板与滑轮轴作用处，说明轴套并不改变滑轮轴的整体受力形式。由表1可以看出，滑轮组增加轴套后，虽然滑轮轴径减小，但是最大位移和最大等效应力也相应减小，表明增加轴套能够很好地改善滑轮轴的受力状况，因此设计时可以在满足安全系数的条件下采用强度更低的材料，降低滑轮轴的材料成本；或者进一步减小滑轮轴的轴径，在一定程度上还能够降低滑轮轴的检验成本。

图5 滑轮轴的等效应力（MPa）云图

表1 滑轮轴计算对比结果

轴套除了方便安装滑轮，另一个作用是将滑轮对滑轮轴的作用力转移到轴套两端与滑轮轴接触处，更靠近支撑座的侧板，轴套对滑轮轴作用力的力臂更短，因此产生的弯矩更小。从表1中也可以看出，滑轮支撑座各侧板间的滑轮个数越多，轴套减小滑轮轴应力的作用就越明显[2]。

3 结语

针对大吨位起重机滑轮组装配困难的问题，提出将滑轮组的滑轮轴设计为轴套和芯轴结构形式，有效地解决了滑轮的安装问题。通过ANSYS对多台产品滑轮组中滑轮轴的受力状况进行有限元分析，结果揭示出增加轴套后，一方面能够减小滑轮轴的轴径，另一方面也能够降低滑轮轴的最大位移和最大等效应力，很好地改善滑轮轴的受力状况，降低滑轮组的成本。本文为大吨位起重机滑轮组的设计改进提供了良好的理论依据，有一定的借鉴意义。