基于+ANSYS+堆取料机回转支承的接触分析

设备设计／诊断维修／再制造现代制造工程（ＭｏｄｅｒｎＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）２０１３年第８期基于ＡＮＳＹＳ堆取料机回转支承的接触分析倡肖艳军１，任斌１，张晓光２，张金玲１（１河北工业大学机械学院，天津３００１３０；２天津重钢机械装备股份有限公司，天津３００４５９）摘要：堆取料机的回转机构是整机执行悬臂回转动作的重要组成部分，作用是带动斗轮机构、俯仰机构以及配重等上部结构在水平面内转动，而回转支承是回转机构的核心部分。

利用ＡＮＳＹＳ软件针对回转支承的轮轨进行非线性有限元接触分析，得出接触应力云图和总变形图。

通过有限元接触分析结果与理论计算比较得出接触应力小于许用值，验证了结构满足使用要求，为回转机构设计提供了参考。

关键词：ＡＮＳＹＳ软件；堆取料机；回转支承；接触分析中图分类号：ＴＨ１６　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７１—３１３３（２０１３）０８—０１０２—０４ＣｏｎｔａｃｔａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｌｅｗｉｎｇｒｉｎｇｆｏｒｓｔａｃｋｅｒｒｅｃｌａｉｍｅｒｂａｓｅｄｏｎＡＮＳＹＳＸｉａｏＹａｎｊｕｎ１，ＲｅｎＢｉｎ１，ＺｈａｎｇＸｉａｏｇｕａｎｇ２，ＺｈａｎｇＪｉｎｌｉｎｇ１（１ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１３０，Ｃｈｉｎａ；２ＴｉａｎｊｉｎＨｅａｖｙｓｔｅｅｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｔｉａｎｊｉｎ３００４５９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｌｅｗｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｓｔａｃｋｅｒｒｅｃｌａｉｍｅｒｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒｔｏｆｔｈｅｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｒｏｔａｒｙａｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｏｌｅｉｓｔｏｄｒｉｖｅｔｈｅｓｕｐｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐａｒｔｏｆｔｈｅｂｕｃｋｅｔｗｈｅｅｌ，ｌｕｆｆｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍａｓｗｅｌｌａｓｗｉｔｈｗｅｉｇｈｔｉｎｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｐｌａｎｅ．Ｔｈｅｓｌｅｗｉｎｇｒｉｎｇｉｓｔｈｅｃｏｒｅｐａｒｔｏｆｓｌｅｗｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ．ＵｓｉｎｇＡＮＳＹＳｆｏｒｓｌｅｗｉｎｇｒｉｎｇｔｈｅｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒｏｆｗｈｅｅｌｃｏｎｔａｃｔＦＥＡｃｏｍｅｔｏｃｏｎｔａｃｔｓｔｒｅｓｓｎｅｐｈｏ－ｇｒａｍａｎｄｔｈｅｔｏｔａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｃｏｎｔａｃｔｓｔｒｅｓｓａｎｄｃｏｎｆｉｒｍｅｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｏｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｉｔｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｎｅｃｅｓｓａｒｙｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｓｌｅｗｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｄｅｓｉｇｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡＮＳＹＳ；ｓｔａｃｋｅｒｒｅｃｌａｉｍｅｒ；ｓｌｅｗｉｎｇｒｉｎｇ；ｃｏｎｔａｃｔａｎａｌｙｓｉｓ０　引言随着经济的发展、港口的建设及电厂的增加，需要对大量的散料进行堆取。

如大型港口需要把送来的散料，如煤炭、矿石等装船、卸船；采挖的矿物要运到储存场等。

为了提高散料装卸的工作效率，减少作业时间，则需要大型的、高效的散料装备。

堆取料机作为一种高效、连续的散装物料装卸成套设备，已广泛用于港口、矿山、电力、冶金、交通和建材等领域中。

由于该机器的生产率高，受到世界各国的重视。

回转机构是整机执行悬臂回转动作的重要组成部分，是将整机的上部结构通过支承装置固定在门座架上。

回转机构的作用是带动斗轮机构、俯仰机构以及配重等上部结构在水平面内转动。

回转机构由回转支承和驱动装置两部分组成，是斗轮堆取料机的主要组成部分。

１　回转支承介绍堆取料机的回转支承装置有回转大轴承支承、圆锥滚轮支承和台车式支承三种形式。

本文的回转支承形式为台车式支承。

台车式回转支承实物如图１所示。

图１　台车式回转支承实物２０１倡河北省科学技术研究与发展计划基金项目（１０２１３９４７）；河北省科技支撑计划基金项目（１２２２７１０９Ｄ）肖艳军，等：基于ＡＮＳＹＳ堆取料机回转支承的接触分析２０１３年第８期台车式支承类似于行走台车，是将一个圆形轨道安装在悬臂式堆取料机下部门座架上，轨道直径与悬臂式堆取料机地面轨道的跨距基本相同，以防止整机的倾覆。

由于台车结构中每对车轮的两只车轮轴线形成一个夹角而不是相互平行，而且通过圆轨道的中心，因此，台车车轮有别于普通的行走车轮。

该支承装置的内外也都设有保持架式的连接板，保证稳定性。

此外，选择合适台车组的数量以保证合适的轮压。

台车式回转支承结构简单直观，而且易更换损坏的部件，检查维修和安装方便。

但是这种支承方式增加了整机的高度，重心提高了，在设计的时候应多加考虑整机的平衡性。

２　回转支承的接触分析２．１　回转支承轮轨模型的导入台车式回转支承是由４组８个走轮和轨道接触来实现的，本文以１个走轮和轨道的接触来分析，在ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件中建好模型并装配后，将其导入到ＡＮＳＹＳ软件中进行接触分析。

２．２　轮轨的有限元建模及网格划分２．２．１　有限元建模利用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件建模后的几何模型不能直接参与有限元分析，因此必须生成有限元分析模型，所有施加在几何实体边界上的载荷或约束才能最终传递到有限元模型（节点和单元）上进行求解。

建立的有限元模型是对实际结构和物质的数学表达方式，主要包括单元、实常数、材料特性及边界条件等的定义。

ＳＯＬＩＤ１８６可以更好地模拟不规则的网格，支持塑性、超弹性、蠕变和应力刚化等具有任意的空间各项异性，因此，单元类型选为ＳＯＬＩＤ１８６块单元，材料的弹性模量（ＥＸ）为２．０６×１０５ＭＰａ，泊松比（ＰＲＸＹ）为０．３，金属密度为７．８×１０３ｋｇ／ｍ３。

２．２．２　网格划分网格划分是前处理中的重要工作，网格质量的好坏直接影响计算结果，因此，该模型的网格划分采用自定义划分，网格划分后的模型如图２所示。

２．３　确定接触对在定义接触对时，应该意识到在变形的过程中哪些面会发生接触，并通过目标面和接触面来定义它们，使其总是反应变形阶段的运动，并用实常数将目标面和接触面联系起来。

根据目标面和接触面的选择原则的第一条，将轨道平面设为目标面，走轮的外表面设为接触面，利用接触向导对其进行设置，目标单元采用ＴＡＲＧＥＬ１７０单元，接触单元采用ＣＯＮ－ＴＡＣＴ１７４单元，轮轨接触的接触对如图３所示。

图２　轮轨网格划分图３　轮轨接触的接触对２．４　确定关键字和实常数接触分析中对关键字和实常数的定义十分重要，这是由ＡＮＳＹＳ软件本身的接触算法所决定的。

实际的接触体是相互不穿透的，因此，要在两个面之间建立一种关系，以防止在分析的过程中相互穿透。

当程序防止相互穿透时，称之为强制接触协调，接触协调的方法有罚函数法和拉格朗乘子法，本文采用了罚函数法，即用一个接触“弹簧”在两个面间建立关系，弹簧刚度称为惩罚参数，即接触刚度。

因此，需要对几个常数进行设置，包括法向接触刚度因子（ＦＫＮ）、接触容差（ＦＴＯＬＮ）、初始靠近因子（ＩＣＯＮＴ）以及最大的接触摩擦（ＴＡＵＭＡＸ）等，法向接触刚度因子（ＦＫＮ）一般在０．０１～１０之间取值，应该选择足够大的接触刚度来保证接触渗透小到可以接受的程度，但同时又要让接触刚度足够小从而保证总刚度矩阵不会引起病态问题而保证其收敛性。

如果接触容差（ＦＴＯＬＮ）的数值太小可能会造成太多次的迭代或者不收敛，实常数明细如表１所示。

３０１　２０１３年第８期现代制造工程（ＭｏｄｅｒｎＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）表１　实常数明细名称数值法向接触刚度因子（ＦＫＮ）１接触容差（ＦＴＯＬＮ）０．１初始靠近因子（ＩＣＯＮＴ）１×１０－１０最大接触摩擦（ＴＡＵＭＡＸ）０．１５２．５　施加约束和载荷在进行轮轨接触分析时根据轮轨的运动特性，将轨道的下表面进行全约束，对走轮的侧面进行轴向的约束。

在进行力的加载过程中，进行刚化处理，即内孔下表面的节点与轴心节点刚化，压力加载到轴心（内表面）上，且与轨道平面垂直。

２．６　设置求解选项轮轨的接触分析是非线性问题，本文设置了１０个载荷步，在最大迭代次数为３０，最小迭代次数为２的情况下对该结构进行分析，载荷结束时间为１０ｓ，结果收敛曲线如图４所示。

从图４所示可以看出，迭代７次以后残差位于收敛准则的下方，因此结果是收敛的。

如果不收敛，可以考虑增加荷载步数、增加每次计算的迭代次数以及重新划分单元。

图４　收敛曲线３　结果查看及分析３．１　接触应力云图和总变形图分析轮轨接触分析时，主要是对轮轨进行径向上的变形和应力分析，分析的结果如图５、图６所示由图６所示可以看出，该结构的最大应力为２２．９８５ＭＰａ，发生在走轮和轨道的接触位置，此应力远远小于屈服极限。

３．２　接触应力理论设计值车轮踏面接触应力的计算公式在枟起重机设计手册枠中给出，车轮与平面轨道接触时，可按线接触计算，其校核强度公式为：σｍａｘ＝６００２ＰＳｍａｘｂｄ（１）ＰＳｍａｘ＝ψＰｍａｘ式中：σｍａｘ为最大接触应力；ｂ为车轮与轨道的接触宽度，ｍｍ；ｄ为车轮直径，ｍｍ；ψ为动力系数；Ｐｍａｘ为单个轮的最大压力，ｋＮ。

图５　位移变形图图６　等效应力图本文的设计中，各个参数的取值分别为：ψ＝１．１，Ｐｍａｘ＝４５０ｋＮ，ｂ＝１５０ｍｍ，ｄ＝１０５０ｍｍ。

通过计算得出理论设计的最大值σｍａｘ＝４７．６ＭＰａ，而由软件分析得出结构的最大接触应力为２２．９８５ＭＰａ，远远小于许用最大值。

由此也看出，许用应力还很富裕，在以后的研究中可以进行优化设计，以减少材料的消耗，降低成本。

４　结语对回转支承的轮轨进行了接触分析，经过模型简化、网格的划分、接触对的选取、边界条件的设定、约束加载和后处理，得出接触应力云图和总变形图，为了使分析结果更接近实际，对结构进行了刚化处理。

在得出分析结果后，对接触应力的许用值进行计算，两者进行比较得出，接触应力小于许用值，验证了结构满足使用要求。

（下转第４１页）４０１石鑫：基于过程本体的设计过程表示研究２０１３年第８期图１１　蒙皮设计过程子本体重用界面６　结语对产品设计过程进行表示的目的是对本领域内知识的共享和重用，知识表示方法的选择一定程度上决定了知识重用范围的大小。

本文在本体知识表示方法的基础上，引入过程本体的概念，采用过程本体知识表示方法对设计过程知识进行表示，一方面通过构建设计过程本体层次模型，描述了各过程本体之间的关系，进而对设计过程间的层级关系进行了表示；另一方面通过构建设计过程本体库，抽象并统一了该领域内的概念，对设计过程进行全面、系统和标准化的表示，一定程度上满足了重用对知识功能共性的要求，为设计过程领域内知识的共享和重用奠定基础。