基于WorkBench的电动葫芦联接轴强度分析

摘 要：借助SolidWorks与WorkBench间接口完美对接的优点，对钢丝绳电动葫芦联接轴进行简化建模，继而于WorkBench中采用实体单元类型建立有限元模型，静载工况下对其总体变形、等效应力及最大切应力进行计算分析，对联接轴的深入、精细及经济性地优化设计具有重要指导意义。

关键词：联接轴；强度分析；应力

引言

作为一种轻小型起重设备的钢丝绳电动葫芦，其具有结构紧凑、自重轻、体积小、操作方便等优点[1]，而且滑轮组结构及倍率具有多种组合方式，除具有固定、悬挂安装方式外，亦可以低净空、双吊点型式安装，能够有效改善劳动条件，提高生产率，在各大工业中得以广泛使用。但目前社会所要求的工业精细化发展中的电动葫芦设计受到了一定条件的制约，以被广泛应用了近40年的CD1型电动葫芦为例，发展中仍遇到一些问题诸如缺乏优化设计精准计算公式及经验、向更为轻巧的方向设计同样受到一定技术条件的制约等等。借助于机械技术和电子、微电子技术以及国际先进的精确、快速的计算机软件计算技术等先进方法有效地促进了电动葫芦零部件及整体结构以及种类、类型和控制精度水平等方面的快速发展。

1.有限元模型的建立

以某品牌的CD1型钢丝绳电动葫芦中的重要承载轴联接轴为例，利用建模软件SolidWorks进行三维建模，其中形状突变处即有可能存在应力集中处如销轴孔、螺纹等处在建模中不可简化忽略；同时在联接轴圆柱面上分割出实际工作过程中的固定圆环面以及承受加载力面，如图1示。利用其与有限元分析软件WorkBench间接口的近乎无缝的链接，直接导入WorkBench中。根据联接轴自身的结构特征，鉴于8节点实体单元Solid185的每个节点具有沿着x，y.z三个方向的平移自由度，同时具有超弹性、蠕变、应力钢化以及大变形和大应变等特征[2]，采用该单元类型进行网格划分创建有限元模型，如图2所示。模型材料选用20钢，其屈服极限 。

图1. 联接轴3D模型

图2. 联接轴有限元模型

2.强度计算、分析

按照该型号钢丝绳电动葫芦额定载荷5t，外加卷筒、钢丝绳、电机、减速机、制动装置及吊钩滑轮组等附件重量167Kg，施加于悬挂板与其接触部位，设置求解条件及相应参数进行求解，其整体变形如图3示，相应的等效应力如图4示。明显地，变形出现三个部位，其中两受力支点中间75mm长度范围内的变形最大为0.17942mm，两支点附近为变形过度区，另外，同一大小的变形以近乎圆环形式出现，是因为联接轴受力后，以中性面为分界，圆柱面下半部分受拉应力上半部分受压应力，变形可由第四强度理论解释，即物体因外力作用而产生弹性变形时，外力在相应位移上做功，能量在物体内部积蓄，亦即变形能，这种积蓄的能量与3个主应力有关即 ，当外力克服分子力而会产生晶体间的滑移运动，外力越大越明显，随着滑移的不断积累，而最终产生较大弹性变形，而当外力足以克服材料所许用应力时，材料变产生不可恢复性的塑性变形，如图4中A-A剖面可见，其拉压应力最大值为 ，因而该联接轴的安全系数 ，充分地满足了塑性材料的安全系数1.5～2.5的要求[3]，另外，从该剖面视图可见，材料由表及里等效应力逐级呈水纹状递减，心部受力较小，因而在轴的优化设计过程中，可适当考虑用空心或针对表面应力分布较大部分进行热处理或机械强化处理。

图3.联接轴整体变形趋势图

图4. 等效应力云图

图5为计算所得联接轴最大切应力云图，与等效应力分布大致相似，两支点中间长度范围内拉压区域最大剪切应力大致相同，但其最大值出现于轴和电动葫芦连接板相接触部位，在周期性的起吊、卸载工作过程中该处始终处于交变的疲劳应力状态，因而对该处与连接板接触的圆周厚度为图示红色区域进行有效地强化处理，对提高轴的寿命及减小因轴磨损而导致电动葫芦车轮与导轨摩擦等故障缺陷有着十分重要的意义。

图5. 切应力云图

3.结论

通过对联接轴进行静强度分析，较为精确地计算出钢丝绳电动葫芦联接轴静态刚度、总体变形趋势、等效应力和最大切应力分布云图，通过分析其中变形和应力的分布趋势，在优化设计阶段相比传统力学经验计算公式，文中给出了一种更为精确、有效、直观的设计理念，从而科学、有效地指导联接轴的精益设计，

参考文献：

[1]张质文等.起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社，2013.

[2]温正等.ANSYS14.0有限元分析权威指南[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2011.