基于有限元法的横向载荷条件下丝杠升降机静强度分析

基于有限元法的横向载荷条件下丝杠升降机静强度分析

陈钦鸿;孙东明;宿展;杜小猛

【摘要】升降式输送机在输送起停过程中会产生惯性作用力,其作为横向载荷作用在丝杠升降机上,使得丝杠升降机中滚珠丝杠应力极值大幅度地提升.通过建立滚珠丝杠有限元模型,对滚珠丝杠在横向载荷条件下进行应力分析,得到滚珠丝杠的应力分布情况,提出了2种导向机构,以减小滚珠丝杠应力极值.实践表明,通过导向支承轮增加滚珠丝杠伸出端的支承,大大改善了丝杠升降机的受力状况并降低了其应力极值,对于提高丝杠升降机的工作寿命及升降式输送机的工作可靠性具有参考意义.【期刊名称】《新技术新工艺》

【年(卷),期】2014(000)008

【总页数】4页(P94-97)

【关键词】横向载荷;丝杠升降机;有限元法;应力

【作者】陈钦鸿;孙东明;宿展;杜小猛

【作者单位】昆明理工大学机电工程学院,云南昆明650500;昆明理工大学机电工程学院,云南昆明650500;甘肃金川集团股份有限公司,甘肃金昌737100;甘肃金川集团股份有限公司,甘肃金昌737100

【正文语种】中文

【中图分类】TH132.1;TP391.9

阴极铜全自动打包生产线是由昆明理工大学机电装备集成科技有限公司自主研发的一款具有完全自主知识产权的产品，该产品已获得国家授权发明专利，其中升降式

输送机已获得实用新型专利，填补了国内冶金机械行业的空白，并且已经得到了推广应用，其物理样机如图1所示。

阴极铜全自动打包生产线主要用于铜板和镍板打包，通过采用机械自动化打包取代以往人工打包的繁琐生产流程(铜板配重、两端对齐、压机压紧、铜板称重、钢带打包、表面喷码、粘贴标签和铜板入库)，大大降低了工人的劳动强度，满足了企业的生产和工艺要求，极大地提高了企业的自动化装备水平及生产效率。该生产线已经达到国内领先水平。

升降式输送机作为铜板打包机生产线的重要装备之一(见图2)，对完成连续性打包作业起着至关重要的作用。需要在升降式输送机上完成4个工序，分别是铜板配重、两端对齐、压机压紧和铜板称重。升降式输送机的主要任务就是将铜板送入上述4个工序工位，由丝杠升降机操作其升降运动。6个丝杠升降机同时由电动机驱动，由液压马达驱动链轮带动链条向前输送铜板，包括丝杠向上运动顶起铜板，输送链向前输送铜板，丝杠向下运动放下铜板，同时进入4个工序的工位。

本文运用动力学分析[1]计算惯性反作用力，通过有限元方法计算其应力及变形位移，说明了横向载荷对其影响，提出2种减小惯性反作用力冲击的方案，并进一步对2种方案进行了对比分析。

为了更好地讨论升降式输送机在输送起停时[2]的惯性反作用力，笔者在ADAMS 软件中模拟了理想的工作情况(缓匀加速—高匀速—缓匀减速)，其链轮驱动速度及铜板加速度如图3和图4所示。

由ADAMS软件仿真模拟可得理想工作情况下的铜板加速度图。根据力学平衡方程，铜板所受运动方向上的惯性作用力等于运动相反方向的惯性反作用力，由此可得：

式中，Fμ是惯性反作用力；mi是铜板质量，mi=2 500 kg;α铜是加速度；Fa是横向载荷。

由图3和图4可得加速度极值，并由式1计算得惯性作用力极值和惯性反作用力极值，见表1。

该惯性反作用力是作用在丝杠升降机上的横向载荷，滚珠丝杠在仅受轴向载荷时，可将其视为沿轴线方向排列而成的若干个推力向心球轴承[3-4]。换句话说，滚珠丝杠不能承受过大的横向载荷，而在输送过程起动、制动中，力作用在滚珠丝杠径向上，因为滚珠与丝杠及螺母均为点接触，所以频繁正反转工况下，重轴向载荷和起停时横向载荷都会给滚珠带来极大的接触应力冲击。

笔者考虑实际工作情况下的横向载荷FL为3.33 kN，与此同时，升降式输送机上的铜板质量为17.5 t，加上链轮、输送链和机架等，估算轴向总载荷为300 kN，每个丝杠升降机在50 kN轴向载荷FA与3.33 kN横向载荷FL两者共同作用下，会对丝杠升降机中的滚珠、螺母滚道和丝杠滚道产生极大的应力。考虑到丝杠升降机为立式安装，且一端固定于地面，一端为支承升降式输送机机架，初定某滚珠丝杠型号丝杠升降机，其参数见表2。

根据上述条件，考虑丝杠升降机在实际工况中为动载荷，综合考虑其动载荷系数，确定计算轴向载荷FAC为93.75 kN，计算横向载荷FLC为5.25 kN，实践中发现丝杠升降机的失效基本集中在滚珠丝杠上；因此，仅对滚珠丝杠进行建模，并分别进行约束加载，其应力云图分别如图5和图6所示。不难发现，计算横向载荷FLC对滚珠丝杠应力的影响比计算轴向载荷FAC显著得多。

通过有限元应力分析[5]发现，计算轴向载荷FAC和计算横向载荷FLC作用下的应力极值为173.7 MPa，计算轴向载荷FAC作用下的应力极值为111.22 MPa。虽然计算横向载荷FLC仅为计算轴向载荷FAC的5.6%，但是计算轴向载荷FAC和计算横向载FLC荷作用下的应力极值比只有计算轴向载荷FAC作用下的应力极值增加了56%；因此，笔者考虑在滚珠丝杠的伸出端安装导向支承机构，增加其在伸出端与机架的支承。

基于上述分析，分别设计了导向支承杆和导向支承轮2种方案，其有限元模型分

别如图7和图8所示，分别对其进行应力分析，由图9和图10可得，导向支承轮方案应力极值为108.97 MPa，导向支承杆方案应力极值为132.91 MPa，较之前的应力极值173.7 MPa，下降幅度明显，见表3。

通过分析其变形位移可知，导向支承杆在横向载荷的作用下变形0.118 1 mm，较导向支承轮方案变形0.071 2 mm要大，如图11和图12所示。通过上述分析可知，在横向载荷力方向作用线上施加导向支承机构，对于减小横向载荷对滚珠丝杠应力的影响效果最为明显，而导向支承杆由于结构上的原因，使得杆两端的支承仅仅只能作用在横向载荷力方向作用线的平行线上。

实践中采用导向支承轮方案，其示意图如图13所示，实际模型如图14所示。

实践表明，通过导向支承轮方案，在升降式输送机沿着输送方向分别增加正向导向支承轮及反向导向支承轮，能够增加丝杠升降机伸出端与机架连接处的支承，减小惯性反作用力对其直接冲击，从而大大提高了丝杠升降机的工作寿命及升降式输送机的工作可靠性。

通过上述动力学模拟仿真求得作用在丝杠升降机的横向载荷，结合轴向载荷对所涉及的三维模型进行约束加载后，通过有限元分析轴向载荷和横向载荷作用下对丝杠升降机的影响，提出了相应的解决方案。实践表明，该解决方案对解决升降式输送机起停时横向载荷冲击具有参考意义。

【相关文献】

[1] 贾长治，殷军辉，薛文星．MD ADAMS虚拟样机从入门到提高[M]．北京：机械工业出版社，2010.

[2] 郝双双，刘训涛，刘秀莲，等.基于 ADAMS 带式输送机启动阶段动态特性研究[J]．矿山机械，2012(6)：61-63.

[3] 程光仁，施祖康，张超鹏．滚珠螺旋传动设计基础[M]．北京：机械工业出版社，1987.