一种偏心滑轮支架的设计与优化

曹振波 巴庆江

摘  要：偏心滑轮机构应用广泛，在重型机械、航空航天、机床、冶金、核工程等多个领域有着广泛应用。本文基于一种偏心滑轮机构，提出了基于Solidworks 的偏心滑轮支架设计，并提出了一种利用Solidworks Simulation对该偏心滑轮支架进行分析和优化的方法。通过对偏心滑轮螺钉安装部分的计算，对偏心滑轮支架的整体结构进行了优化，使得偏心滑轮支架的结构更加合理，降低了偏心滑轮支架重量，能够满足偏心滑轮支架的使用要求。

关键词：偏心滑轮  支架  分析  优化

中图分类号：P631                               文献标识码：A                   文章编号：1674-098X（2020）09（c）-0072-03

Abstract： Eccentric pulley mechanism is widely used in heavy machinery， aerospace， machine tools， metallurgy， nuclear engineering and other fields. Based on a kind of eccentric pulley mechanism， this paper puts forward the design of eccentric pulley bracket based on SolidWorks， and puts forward a method to analyze and optimize the eccentric pulley bracket by using SolidWorks simulation. Through the calculation of the screw installation part of the eccentric pulley， the overall structure of the eccentric pulley bracket is optimized， which makes the structure of the eccentric pulley bracket more reasonable， reduces the weight of the eccentric pulley bracket， and can meet the use requirements of the eccentric pulley bracket.

Key Words： Eccentric pulley; Bracket; Analysis; Optimization

滑輪机构应用广泛，在重型机械、航空航天、机床、冶金、核工程等多个领域有着广泛应用。其中，偏心滑轮机构通常利用在结构紧凑、空间狭小的机械设备上。合肥工业大学的袁斌提出了一种偏心机构的计算与分析方法，该方法应用于电缆搭建领域[1]。北京理工大学的李德雄提出了一种适用于机械照相机上的偏心滑轮机构[2]。武汉船舶职业技术学院的于靖华提出了一种苹果采摘装置，其中使用了偏心滑轮座机构[3]。沈阳建筑大学的李斌等提出了一种四连杆式吊重自平衡系统[4]。在我公司某设备中，滑轮与安装面中心的偏心达到110mm，钢丝绳拉力8000N，这些机构机器类似机构虽说在其所在行业有一定应用价值，但并不能满足我设备使用要求。东华大学的宁方刚提出了一种适用于纺织行业的偏心滑轮的分析方法[5]，沈卓等人提出了一种单出绳俯仰缠绕系统对堆料机偏心臂架的受力分析方法，对偏心滑轮的计算与分析有一定的借鉴意义[6];因此，需要设计一种能够满足较大偏心要求的偏心滑轮机构，特别是偏心滑轮支架，对于设备的设计和推广有着重要的意义。

1  偏心滑轮机构的设计

通过对偏心滑轮使用工况的分析，偏心滑轮机构设计为由滑轮架、滑轮、滑轮轴等组成的机构。滑轮架主体材料为Q235-B，其结构包括安装座、滑轮安装座、滑轮架过渡部分。滑轮架过渡部分中间切掉一些材料，作为安装螺钉的工艺槽。滑轮为外购件，选择能够满足16000N拉力的型号。

由于滑轮与滑轮架安装面沿着滑轮轴向中心有110mm偏心，因此会造成滑轮架承受弯矩1760Nm弯矩。如果滑轮架过渡部分采用一块钢板的机构，偏心会造成钢板应力过大。通过有限元分析可得到，当该钢板厚度为15mm时，钢板应力超过1000MPa，这样的应力会造成钢板拉断，因此过渡部分增加了钢板垂直方向的筋作为加强。

2  滑轮架的优化

滑轮架的优化采用Solidworks 软件的Simulation插件。通过Solidworks对滑轮架进行建模，分析采用静力学分析模块。

由于滑轮两侧的钢丝绳呈180°角，且钢丝绳方向与安装座安装平面垂直，因此钢丝绳通过滑轮和滑轮轴传递给滑轮安装座的力为16000N，作用点在滑轮几何中心，该力与安装座几何中心的高度差为110mm。为了表征该受力，在SolidWorks Simulation中在滑轮架上滑轮轴的两安装面加在16000N合力，方向垂直于滑轮安装座向外。

滑轮架安装座采用□100法兰，在以法兰中心为中心的□70位置均布4个Φ17.5孔用于安装M16螺钉。为了表征螺钉对滑轮架的固定，在安装座的4个Φ17.5孔处采用“固定”约束。

在有限元分析前，对模型进行了简化。简化原则为：

（1）忽略了倒角的影响;

（2）忽略了圆角的影响;

（3）对于模型中的厚度较薄的小特征部分进行了简化。

简化模型后，进行网格生成设置。采用标准网格，网格最大特征4.5mm，最小特征0.225mm，自动过渡。网格生成图解如图2所示。

使用“加网格并运行”功能对滑轮架进行分析。分析云图如图3所示。

通过分析，滑轮架应力最大处应力157.5MPa，安全系数S = 235 / 157.5 = 1.49，滿足使用要求。

3  滑轮架的安装校核

滑轮架利用4个M16螺钉安装在基座上。滑轮架的受力如图4所示。

图4左侧两个螺纹孔处受力均为F1，右侧两个螺纹孔处受力均为F2，力F和力F1之间距离为75，螺纹孔间距70。根据杠杆原理可以得出，F1=16571N，F2=8571N。

图4所示为滑轮架受力图，F1方向为图中向下方向。因此，滑轮架加载在螺钉上的受力与图4种F1方向相反，也就是说F1处每个螺钉受拉力16571N。M16螺钉小径13.835mm。螺钉选用35材料，则螺钉应力如下：

35钢螺栓屈服强度320MPa，安全系数取3～2，此处取2.2，则螺钉许用应力如下：

螺钉应力小于螺钉许用应力，螺钉满足使用要求。

4  结语

偏心滑轮机构广泛应用于结构紧凑、空间受限的机械结构中，由于滑轮偏心造成的偏载扭矩是偏心滑轮机构设计的重点考虑项，也是设计的难点。本文提出了一种偏心滑轮机构，提出了一种偏心滑轮机构设计和滑轮架优化、校核的方法。该偏心滑轮机构能够满足较大偏心和较大的拉力，未来将在空间受限的机构中得到广泛应用。

参考文献

[1] 李斌，王甜，刘庆.塔机旋摆小车四连杆式吊重自平衡系统研究[J].建筑机械，2019（518）：71-75，80.

[2] 李德熊.偏心滑轮间歇输片机构的改进[J].光子学报，1992（3）：272-279.

[3] 余靖华.一种苹果采摘装置设计[J].农业技术与装备，2020（1）：33-34.

[4] 沈卓，吴沙坪，花丽君.单出绳俯仰缠绕系统对堆料机偏心臂架的受力分析[J].港口装卸，2017（4）：4-6.

[5] 江西鼎峰装备科技有限公司，一种逃生装置，中国， 201821791750.5[P].2018-11-01.

[6] 宁方刚.绳缆编织结构建模及其绕滑轮弯曲疲劳性能研究[D].上海：东华大学，2016.

[7] 袁斌.抱杆螺栓连接节点与销轴连接节点力学分析[D].合肥：合肥工业大学，2019.