刘彬彬 王京育 张建 刘珺
摘要:本文将翻箱装置的复杂结构进行分解分析,对主要受力结构进行有限元计算,分析应力分布和结构特点,检验各个结构是否满足强度要求,并提出部分结构可以进行改进的建议,对以后类似机构的设计和生产提供参考和帮助。
关键词:翻箱装置;有限元;强度分析
1 引言
翻箱装置是长高公司自主研发设计制造的新型翻箱喂料设备,用于烟草生产线的物流输送,由于既定功能和外形尺寸等对设备的各种限制,该翻箱装置采用以大悬臂夹持负载绕轴旋转的工作方式,这使得悬臂和轴都处于较复杂和恶劣的受力环境,为了保证设备运行的可靠性及安全性,本文将对翻箱装置的主要受力结构进行受力分析并进行有限元模拟。
2.翻箱装置主要结构介绍
翻箱装置主要由机架、轴、悬臂、框架和夹持臂等组成,如图1所示。
机架用于提供支撑和固定;轴与减速机相连,用于传递动力;悬臂将轴与框架相连,框架和夹持臂直接用于固定和支撑来料载荷。由于结构复杂,连接方式多样,很难对翻箱装置整体进行受力分析和计算,本文将对轴、悬臂和框架等主要受力结构进行受力分析和有限元计算,并确认它们符合设计和使用要求。
3.主要结构的受力分析
3.1 轴的受力分析
轴的结构如图2所示,它的两端为圆轴,与减速机和轴承相连,中间段是截面为正方形的方轴,方轴段将通过螺栓与悬臂相连,它的受力状态可以简化为:与减速机相连的轴端为固定约束,轴承安装位置为轴承支承约束,在方轴段受向下的力,大小为12040N,同时受大小为11000Nm的扭矩。
利用solidworks的有限元分析模块对其进行有限元计算,轴在上述受力条件下的应力分布如图3所示。
图中显示,轴最大应力为323.9MPa,出现在固定轴端的轴肩处,轴材料为45#钢,屈服强度530 MPa,可以得到軸的使用安全系数为1.64,完全满足设计要求,有较高的强度可靠性。由轴的应力分布图中还可以发现,方轴段所受应力明显偏低,远远小于材料屈服应力,以后设计中类似结构可以考虑采用空心结构代替,以降低加工难度和成本。
3.2 悬臂的受力分析
悬臂的结构形式如图4,整体为焊接结构,它将驱动轴与承载载荷的框架连接在一起,是主要的受力结构之一。它的受力状态可以简化为:与驱动轴连接的平板为固定边界条件,与框架的连接板受向下的压力,大小为12040N,另外还受自身重力,大小为1925N。
经有限元计算,轴在上述受力条件下的应力分布如图5所示。
图中显示,悬臂最大应力为69.8MPa,出现在筋板与立柱相连的位置,两侧对称,与经验判断相符。悬臂材料为Q235,屈服强度220 MPa,可以得到悬臂的使用安全系数为3.15,虽然完全满足设计和使用要求,但明显偏大,造成不必要的浪费。从图中可以看出,两根立柱之间的连接横梁应力分布均匀,且在结构上没有危险受力点,所以在不影响其结构功能的前提下,可以适当进行减配。
3.3 框架的受力分析
框架的结构形式如图6,它将直接承载载荷,是主要的受力结构之一。它的受力状态为:与悬臂连接的安装平板为固定边界条件,框架与载荷接触的平面受向下的压力,大小为5000N,另外还受自身重力,大小为4500N。
经有限元计算,轴在上述受力条件下的应力分布如图7所示。
图7中显示,框架最大应力为104.2MPa,出现在框架中立筋板的支撑位置,悬臂材料为Q235,屈服强度220 MPa,可以得到悬臂的使用安全系数为2.11,满足设计及使用要求。框架整体应力分布均匀,仅在立筋支撑处应力出现集中,应该增加立筋数量,加强立筋强度,以降低立筋处应力集中程度。
4.结论
本文通过对翻箱机构主要受力部件分别进行有限元计算与分析,得到了翻箱机构主要部件机械强度满足设计和使用要求的结论,同时根据计算结果,结合结构特点,对各个部件需要加强和可以简化的部位给予建议,对以后类似机构的设计提供参考和帮助。
参考文献
[1] 成大先主编,机械设计手册(第四版),化学工业出版社,2008.1。