基于ANSYS的高空飞翔卷筒强度分析*

赵九峰

(河南省特种设备安全检测研究院，河南 郑州 450000)

0 引 言

高空飞翔是飞行塔类游艺机中的一个品种，主要是由塔架，提升系统，旋转提升总成等几部分组成，塔架与基础预埋螺栓连接，旋转提升总成的提升动力由减速机驱动卷筒钢丝绳实现，旋转动力由四台减速机电机驱动实现，座椅由环链均匀固定旋转提升总成圆周，每个座椅都设有独立安全杠和安全带。高空飞翔的结构示意图如图1。

图1 高空飞翔结构示意图

高空飞翔有三种提升驱动方式：曳引驱动、液压驱动和强制驱动。其中强制驱动是通过卷筒卷绕钢丝绳实现的。卷筒提升驱动具有传动效率高、承载能力大，调度操作简单，价格低廉、噪声小等优点[1]。卷筒是否满足强度要求，对高空飞翔的安全运行起着至关重要的作用。

通过对通过ANSYS有限元分析软件，对高空飞翔卷筒进行力学分析，并与传统分析校核结果比较。有限元法减小了常规计算带来的设计误差，提高了设计效率和计算精度，为卷筒的设计提供了参考[2]。

1 高空飞翔有限元模型

以43 m高空飞翔为计算对象，卷扬提升组件主要由电机、减速机、联轴器、卷筒和底座等组成，其中卷筒是卷扬组件中非常关键的部件，其结构强度影响高空飞翔的运行质量和安全性。卷扬组件的结构示意图如图2所示。

高空飞翔卷筒为带绳槽双联单层缠绕卷筒，两根钢丝绳分支同时饶入卷筒。卷筒为焊接卷筒，材料为Q235B,弹性模量E=2×105MPa，泊松比ν=0.3，密度ρ=7 800 kg/m3。卷筒的基本参数：卷筒直径D=694 mm,卷筒壁厚t=14 mm，钢丝绳直径d=22 mm，绳槽节距δ=25 mm，卷筒总长L=1 310 mm,钢丝绳的拉力S=21 885 N。

图2 高空飞翔卷扬组件示意图1.电机 2.块式制动器 3.减速机 4.联轴器 5.盘式制动器 6.卷筒 7.底座

由卷筒的承载特点和结构形式，对卷筒做如下简化：①假定钢丝绳在卷筒上有序紧密排列，压力均布分布在卷筒容绳宽度上；②保守计算，忽略绳槽的影响，这样可以减少划分单元数，避免畸形单元的出现；③忽略卷筒上的小螺纹孔，全部用壳单元来代替[3]，在ANSYS中建立的有限元模型如图3所示。

图3 卷筒的有限元模型

2 载荷与约束

卷筒在钢丝绳拉力作用下，产生压缩、弯曲和扭转剪切力[4]。根据加减平衡力系原理，平衡钢丝绳对卷筒的拉力可以分解为对卷筒中心的一个向上拉力和绕卷筒轴的一个扭矩，对卷筒的作用的效果不变，力的载荷示意图如图4所示。

图4 卷筒载荷示意图

卷筒与卷筒轴的配合部位选择全约束，卷筒容绳宽度外表面施加均匀压力[2]：

(1)

代入数据到公式(1)，求得p=2.5 MPa。

为计算不同类型的应力对合成应力的贡献大小，分三种工况进行计算。工况1：卷筒中部一侧施加拉力S=21 885 N；工况2：卷筒容绳宽度外表面施加均匀压力2.93 MPa；工况3：同时施加拉力和均布压力。

3 有限元计算结果

经过有限元分析计算，得到卷筒的von-Mises应力云图如图5。工况1下，在弯曲和扭转切应力作用下的计算结果如图5(a)所示，最大应力出现在卷筒中部外表面，最大值为4.8 MPa；工况2下，在均布压力作用下，最大应力出现在卷筒边缘内表面，最大值为69.8 MPa，如图5(b)所示；工况3下，在均布压力、弯曲和扭转切应力共同作用下，最大应力出现在卷筒边缘内表面，最大值为69.9 MPa，如图5(c)所示。

图5 有限元计算结果

4 传统分析校核结果

由《起重机设计手册》可知，卷筒在钢丝绳拉力作用下，产生压缩、弯曲和扭转剪切应力，其中压缩应

力最大，当卷筒长度小于或等于直径的3倍时，弯曲和扭转的合成应力不超过压缩应力的10%～15%，只计算压应力即可[6]。

由《起重机设计手册》，可知卷筒(双联卷筒)筒壁的最大压应力[6]：

(2)

代入数据到公式(2)，求得σmax=62.5 MPa。

由力学理论公式，传统校核方法得到卷筒的最大应力为62.5 MPa，略低于有限元分析得到的最大应力69.9 MPa。说明有限元分析方法和结果的可靠性和正确性。

由于高空飞翔卷筒的长度小于直径3倍，由仿真结果可知，弯扭作用下，卷筒筒壁上的σmax=4.8 MPa，如图5(a)所示，为压缩应力69.8 MPa的7%，如图5(b)所示，与理论相符。

5 结 论

以某43 m高空飞翔为工程背景，对强制驱动提升的卷筒进行分析计算，计算结果表明：

(1) 卷筒同时受到压缩、弯曲和扭转剪切应力的共同作用下，卷筒安全系数满足设计要求。

(2) 当卷筒长度小于直径3倍，弯曲和扭转的合成应力远小于压缩应力，可仅需计算压应力去校核卷筒。

(3) 有限元分析与传统方法相比更准确、可靠，同时可获得解析方法难以分析的局部区域应力分布，对实际生产具有重要意义，满足了高空飞翔运行安全系数的要求。